Quelle: Universität Bern 22. April 2024.

22. April 2024 – Es war einer der kältesten Winter, den die Region je erlebt hat: Im Jahr 763 froren weite Teile des Schwarzen Meeres zu und am Boporus wurden Eisberge gesichtet. Von diesem ungewöhnlichen Wetterphänomen im Winter 763/764 berichteten zeitgenössische Historiker in ihren Aufzeichnungen aus Konstantinopel, dem heutigen Istanbul. Eine internationale, interdisziplinäre Studie der Universität Bern mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zeigt, dass diese extreme Kälteperiode im Frühmittelalter durch Vulkanausbrüche auf Island ausgelöst wurde.

Bisherige Schätzungen des Einflusses von Vulkanausbrüchen auf das globale Klima in der Zeit zwischen 700 und 1000 n. Chr. gingen von einer vulkanischen Ruhephase aus. Eine Annahme, die jedoch im Widerspruch zu den geologischen Befunden aus Island und Sulfatkonzentrationen in Eisbohrkernen in Grönland steht, die Forscher:innen jetzt in dem im renommierten Nature-Portfolio herausgegebenen Fachjournal Communications Earth and Environment veröffentlichten.

Schwefelwolken ziehen über Europa
Die neue Studie nutzt Analysen von sogenannter Kryptotephra (mit blossem Auge nicht sichtbare Spuren von Vulkanasche), hochauflösende Schwefelisotopenanalysen und andere chemische Indikatoren für vulkanische Eruptionen von zahlreichen Eiskernen aus Grönland, um die vulkanische Aktivität und die Konzentration klimawirksamer Schwefelaerosole im Zeitraum von 700 bis 1000 n. Chr. zu ermitteln.

Mit dem Ergebnis: Eine längere Episode vulkanischer Schwefeldioxid-Emissionen zwischen 751 und 940 n. Chr. wurde vor allem von Eruptionen auf Island dominiert. «Bisher wurden Vulkanausbrüche als ein kurzlebiger, zufälliger Klimaantrieb interpretiert, wirksam während maximal 1 bis 3 Jahren», erläutern Imogen Gabriel und Michael Sigl, die Hauptautor:innen der Studie von der Universität Bern.

Die frühmittelalterliche Serie von Eruptionen wird in der Studie als «Icelandic Active Period bezeichnet. Sie begann mit Ausbrüchen des Vulkans Katla zwischen 751 und 763, die teils bis in die Stratosphäre reichten und mit starken winterlichen Abkühlungsanomalien in ganz Europa zusammenfielen. Diese Kältezeiten können aufgrund von Isotopendaten aus Tropfsteinhöhlen (wie der Spannagelhöhle in den Zillertaler Alpen) sowie mit historischen Quellen von Irland bis zum Mittelmeer rekonstruiert werden.

Strafe Gottes
Wie sich diese historischen Klimaveränderungen auf die frühmittelalterliche Gesellschaft auswirkte, schildert der an der Studie beteiligte Byzanzforscher Johannes Preiser-Kapeller vom Institut für Mittelalterforschung der ÖAW: «In den historischen Quellen wird nicht nur beschrieben, dass es sehr kalt war, sondern, dass die extremen Temperaturen Tiere sterben und Feldfrüchte erfrieren ließen. Die Menschen litten nicht nur unmittelbar Not, sondern waren auf verschiedenen Ebenen tief erschüttert», berichtet der ÖAW-Forscher.

Als sich im März 764 auch noch ein Meteorschauer – ein beeindruckendes astronomisches Phänomen, das den Himmel erleuchten lässt – ereignete, dachten viele Menschen, das Ende der Welt sei gekommen. Diese Krisenzeit schlug sich auch auf die politische Wetterlage nieder. Für das damalige Byzantinische Reich, zu dem Preiser-Kapeller forscht, war es eine Zeit innerer Konflikte, die als «Bilderstreit» in die Geschichte einging. Preiser-Kapeller: «Man stritt darum, wie man das Göttliche richtig verehrt. Aus Sicht eines Bilderverehrers war der Kaiser schuld, weil er verbot, die Heiligen angemessen zu verehren. Die Krise wurde also politisch instrumentalisiert und als Strafe Gottes interpretiert.»

Vulkane bei Klimamodellen bisher zu wenig berücksichtigt
Was der interdisziplinäre Ansatz der Studie auch illustriert: den bedeutenden Beitrag anhaltender vulkanischer Sulfatemissionen zur vorindustriellen atmosphärischen Aerosolbelastung, der in bisherigen Schätzungen zur Rekonstruktion des Klimas nicht ausreichend berücksichtigt wurde. Und er unterstreicht die Notwendigkeit weiterer interdisziplinärer Forschung, um mit diesen Phänomenen verbundene Klimarückkopplungen in Vergangenheit und Gegenwart besser zu verstehen.

Publikationsangaben:
“Decadal-to-centennial increases of volcanic aerosols from Iceland challenge the concept of a Medieval Quiet Period”, Imogen Gabriel, Gill Plunkett, Peter Abbott, Melanie Behrens, Andrea Burke, Nathan Chellman, Eliza Cook, Dominik Fleitmann, Maria Hörhold, William Hutchison, Joseph McConnell, Bergrún Óladóttir, Johannes Preiser-Kapeller, Jakub Sliwinski, Patrick Sugden, Birthe Twarloh, and Michael Sigl, Nature Commun Earth Environ, 2024
DOI: doi.org/10.1038/s43247-024-01350-6
https://www.nature.com/articles/s43247-024-01350-6
pdf: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01350-6.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: ETH Zürich 29. Februar 2024.

29. Februar 2024 – Bevor es Leben auf der Erde gab, brauchte es die Chemie, welche aus den chemischen Elementen Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Phosphor organische Moleküle bildete. Damit die entsprechenden chemischen Reaktionen starten und aufrechterhalten bleiben konnten, brauchte es diese Elemente im Überfluss – und einen ständigen Nachschub. Auf der Erde selbst waren und sind diese jedoch Mangelware.

Tatsächlich waren die elementaren Bausteine des Lebens so selten, dass chemische Reaktionen sich schnell erschöpft hätten, wenn sie denn überhaupt in Gang gekommen wären. Auch geologische Prozesse wie Erosion und Verwitterung des irdischen Ausgangsgesteins konnten nicht für ausreichenden Nachschub sorgen, da die Erdkruste schlicht zu wenig dieser Elemente enthielt. Dennoch entwickelte sich in den ersten 500 Millionen Jahren der Erdgeschichte eine präbiotische Chemie, die organische Moleküle wie die RNA, DNA, Fettsäuren oder Proteine hervorbrachte, auf denen alles Leben beruht.

Zutaten aus dem All?
Woher kamen Schwefel, Phosphor, Stick-​ und Kohlenstoff in der benötigten Menge? Der ETH-Forscher Craig Walton ist davon überzeugt, dass diese Elemente vor allem durch kosmischen Staub auf die Erde gelangt sind.

Dieser Staub entsteht im Weltraum, zum Beispiel, wenn Asteroiden miteinander kollidieren. Auch heute noch fallen rund 30’000 Tonnen Staub aus dem All auf die Erde. In der Frühzeit der Erde dagegen war der Staubregen mit jährlichen Millionen Tonnen viel grösser. Vor allem aber enthalten die Staubteilchen viel Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor. Sie hätten also das Potenzial dazu, eine chemische Kaskade in Gang zu setzen.

Dagegen spricht jedoch, dass der Staub weit verstreut niedergeht und lokal in sehr kleinen Mengen vorhanden ist. «Wenn man aber Transportprozesse einbezieht, sieht die Sache anders aus», sagt Walton. Wind, Regen oder Flüsse sammeln den kosmischen Staub grossräumig ein und lagern ihn konzentriert an bestimmten Orten ab.

Neues Modell soll Frage klären
Um herauszufinden, ob kosmischer Staub eine mögliche Starthilfe und Quelle für präbiotische Chemie(-reaktionen) sein könnte, hat Walton zusammen mit Kollegen der Universität Cambridge (UK) ein Modell entwickelt.

Damit simulierten die Forschenden, wie viel kosmischer Staub in den ersten 500 Millionen Jahren der Erdgeschichte auf die Erde niederging und an welchen Orten er sich auf der Erdoberfläche angesammelt haben könnte. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Das Modell entstand in Zusammenarbeit mit Sedimentationsexpert:innen und Astrophysiker:innen der Universität Cambridge. Die britischen Forscher:innen sind auf die Simulation von Planeten-​ und Asteroidensystemen spezialisiert.

Die Simulationen zeigen, dass es auf der frühen Erde Orte mit einer extrem hohen Konzentration an kosmischem Staub gegeben haben könnte. Und dass ständig Nachschub aus dem All kam. Allerdings nahm der Staubregen nach der Entstehung der Erde schnell und stark ab: Nach 500 Millionen Jahren war der Staubfluss um eine Grössenordnung kleiner als im Jahr Null. Gelegentliche Ausschläge nach oben führen die Forschenden auf Asteroiden zurück, die auseinanderbrachen und einen Staubschweif zur Erde schickten.

Schmelzlöcher auf Eisschilden als Staubfänger
Die meisten Wissenschaftler:innen, aber auch Laien gehen davon aus, dass die Erde Millionen von Jahren von einem Magmaozean bedeckt war, was Transport und Ablagerung von kosmischem Staub für lange Zeit verhindert hätte. «Neuere Forschung hat jedoch Hinweise darauf gefunden, dass sich die Erdoberfläche sehr rasch abgekühlt und verfestigt hat und sich grosse Eisschilde gebildet haben», sagt Walton.

Diese Eisschilde könnten den Simulationen zufolge die beste Umgebung für die Ansammlung von kosmischem Staub gewesen sein. In sogenannten Kryokonit-​Löchern – Schmelzlöchern auf der Gletscheroberfläche – sammelten sich nicht nur Sedimente, sondern auch die Staubkörner aus dem All.

Aus den Staubpartikeln lösten sich mit der Zeit die entsprechenden Elemente heraus. Sobald deren Konzentration im Gletscherwasser einen kritischen Schwellenwert erreichte, setzten von selbst chemische Reaktionen ein, die zur Bildung der organischen Moleküle am Ursprung des Lebens führten.

Dass auch bei eisigen Temperaturen, wie sie in den Schmelzlöchern herrschen, chemische Prozesse in Gang kommen, ist durchaus möglich: «Kälte schadet der organischen Chemie nicht, im Gegenteil. Reaktionen laufen bei niedrigen Temperaturen selektiver und spezifischer ab als bei hohen», sagt Walton. Andere Forscher haben im Labor gezeigt, dass sich in solchen Schmelzwasser-​Ursuppen bei Temperaturen um den Gefrierpunkt spontan einfache ringförmige Ribonukleinsäuren (RNA) bilden, die sich selbst vervielfältigen. Ein Schwachpunkt in der Argumentation könnte sein, dass sich bei tiefen Temperaturen, die zum Aufbau der organischen Moleküle benötigten Elemente nur sehr langsam aus den Staubteilchen lösen.

Debatte über den Ursprung des Lebens anstossen
Die Theorie, die der Nomis-​Fellow vertritt, ist in der Wissenschaft nicht unumstritten. «Diese Studie wird sicherlich eine kontroverse wissenschaftliche Debatte auslösen», ist Walton überzeugt. «Und sie wird neue Ideen über den Ursprung des Lebens hervorbringen.»

Schon im 18. und 19. Jahrhundert waren Wissenschaftler davon überzeugt, dass Meteoriten die «Elemente des Lebens», wie Walton sie nennt, auf die Erde gebracht haben. Denn schon damals fanden Forscher in Gesteinsbrocken aus dem All diese Elemente des Lebens in grossen Mengen, nicht aber in den Grundgesteinen der Erde. «Seither hat sich aber kaum jemand mit der Idee auseinandergesetzt, dass eine präbiotische Chemie vor allem durch den Eintrag von Meteoriten in Gang gekommen ist», sagt der Geologe.

«Die Meteoriten-​Idee klingt interessant, hat aber einen Haken», erklärt Walton. Ein einzelner Meteorit liefere diese Stoffe nur in einem begrenzten Umfeld, und wo er aufschlage, sei zufällig und der weitere Nachschub sei nicht gewährleistet. «Ich halte es für unwahrscheinlich, dass der Ursprung des Lebens von ein paar weit und zufällig verstreuten Gesteinsbrocken abhängt», sagt er. «Angereicherter kosmischer Staub hingegen halte ich für eine plausible Quelle.»

In einem nächsten Schritt will er seine Theorie experimentell überprüfen. Im Labor wird er in grossen Reaktionsgefässen die Bedingungen nachstellen, die in den urzeitlichen Schmelzlöchern geherrscht haben könnten. Er wird dabei die Anfangsbedingungen so einstellen, wie sie vor vier Milliarden Jahren in einem Kryokonit-Loch vermutlich vorkamen – und dann abwarten, ob sich chemische Reaktionen entwickeln, die biologisch relevante Moleküle hervorbringen.

Originalpublikation:
Walton CR, Rigley JK, Lipp A et al. Cosmic dust fertilization of glacial prebiotic chemistry on early Earth. Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-​024-02212-z
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02212-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02212-z.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: Universität zu Köln 22. Juli 2022.

22. Juli 2022 – Ein europäisches Team von Astronomen unter der Leitung von Professorin Kalliopi Dasyra von der Nationalen und Kapodistrias-Universität Athen, Griechenland, und unter Beteiligung von Dr. Thomas Bisbas von der Universität Köln hat mehrere Emissionslinien in Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter Array (ALMA) und dem Very Large Telescope (VLT) modelliert, um den Gasdruck sowohl in Gaswolken, die von Jets getroffen werden, als auch in Gaswolken der Umgebung zu messen. Mit diesen erstmaligen Messungen, die kürzlich in Nature Astronomy veröffentlicht wurden, entdeckten sie, dass die Jets den inneren und äußeren Druck der Molekülwolken auf ihrem Weg erheblich verändern. Je nachdem, welcher der beiden Drücke sich am stärksten verändert, sind in derselben Galaxie sowohl eine Verdichtung der Wolken und eine Auslösung der Sternentstehung als auch eine Auflösung der Wolken und eine Verzögerung der Sternentstehung möglich. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass supermassereiche Schwarze Löcher, auch wenn sie sich in den Zentren von Galaxien befinden, die Sternentstehung galaxienweit beeinflussen können“, sagt Professorin Dasyra und fügt hinzu: „Die Untersuchung der Auswirkungen von Druckänderungen auf die Stabilität von Wolken war der Schlüssel zum Erfolg dieses Projekts. Sobald sich nur wenige Sterne in einem Wind bilden, ist es normalerweise sehr schwierig, ihr Signal zusätzlich zu den Signalen aller anderen Sterne in der Galaxie, die den Wind beherbergt, zu erkennen.“

Man geht davon aus, dass sich in den Zentren der meisten Galaxien in unserem Universum supermassereiche schwarze Löcher befinden. Wenn Teilchen, die auf diese schwarzen Löcher einfallen, von Magnetfeldern eingefangen werden, können sie nach außen geschleudert werden und sich in Form von gewaltigen und starken Plasmastrahlen weit ins Innere der Galaxien bewegen. Diese Jets verlaufen oft senkrecht zu den galaktischen Scheiben. In IC 5063, einer 156 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie, breiten sich die Jets jedoch tatsächlich innerhalb der Scheibe aus, wobei sie mit kalten und dichten molekularen Gaswolken in Wechselwirkung treten. Diese Wechselwirkung könnte zu einer Kompression der von den Jets getroffenen Wolken führen, was wiederum zu gravitativen Instabilitäten und schließlich zur Sternentstehung aufgrund der Kondensation des Gases führen könnte.

Für das Experiment nutzte das Team die von ALMA gelieferte Emission von Kohlenmonoxid (CO) und Formylkation (HCO+) sowie die vom VLT gelieferte Emission von ionisiertem Schwefel und ionisiertem Stickstoff. Anschließend nutzten sie fortschrittliche und innovative astrochemische Algorithmen, um die Umgebungsbedingungen im Ausfluss und im umgebenden Medium genau zu bestimmen. Diese Umgebungsbedingungen enthalten Informationen über die Stärke der fernen ultravioletten Strahlung von Sternen, die Geschwindigkeit, mit der relativistische, geladene Teilchen das Gas ionisieren, und die mechanische Energie, die von den Jets auf das Gas übertragen wird. Die Eingrenzung dieser Bedingungen ergab die Dichten und Gastemperaturen, die für verschiedene Teile dieser Galaxie charakteristisch sind und aus denen sich dann die Drücke ableiten lassen.

„Wir haben viele tausend astrochemische Simulationen durchgeführt, um ein breites Spektrum an Möglichkeiten abzudecken, die in IC 5063 existieren könnten“, sagt Mitautor Dr. Thomas Bisbas, DFG-Stipendiat der Universität zu Köln und ehemaliger Postdoktorand am National Observatory of Athens. Eine Herausforderung der Arbeit war es, so viele physikalische Einschränkungen wie möglich für den untersuchten Bereich zu identifizieren, den jeder Parameter haben könnte. „Auf diese Weise konnten wir die optimale Kombination von physikalischen Parametern der Wolken an verschiedenen Orten der Galaxie ermitteln“, so Mitautor Georgios Filippos Paraschos, Doktorand am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und ehemaliger Masterstudent an der Nationalen und Kapodistrias-Universität Athen.

Tatsächlich wurden die Drücke nicht nur für einige wenige Stellen in IC 5063 gemessen. Stattdessen wurden Karten dieser und anderer Größen im Zentrum dieser Galaxie erstellt. Anhand dieser Karten konnten die Autoren veranschaulichen, wie sich die Gaseigenschaften aufgrund der Jetpassage von einem Ort zum anderen verändern. Das Team freut sich nun auf den nächsten großen Schritt in diesem Projekt: den Einsatz des James Webb Weltraumteleskops für weitere Untersuchungen des Drucks in den äußeren Wolkenschichten, wie er durch das warme H₂ gemessen wird. „Wir freuen uns sehr auf die Daten vom James Webb Space Telescope“, so Professorin Dasyra, „denn sie werden es uns ermöglichen, die Jet-Wolken-Wechselwirkung mit einer außerordentlichen Auflösung zu untersuchen“.

Publikation:
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01725-9

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

12. Januar 2022 – Fast 20 Jahre nach dem Ende der NASA-Mission Galileo zum Jupiter haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen den umfangreichen Datensätzen der Mission ein neues Geheimnis entlockt. Das Forscherteam konnte erstmals zweifelsfrei bestimmen, dass es sich bei den hochenergetischen Ionen, die den Gasriesen als Teil seiner inneren Strahlungsgürtel umgeben, in erster Linie um Sauerstoff- und Schwefel-Ionen handelt. Sie dürften ihren Ursprung in Vulkanausbrüchen auf dem Jupitermond Io haben. In der Nähe der Umlaufbahn des weiter innen kreisenden Mondes Amalthea entdeckte das Team zudem eine unerwartete hohe Konzentration hochenergetischer Sauerstoff-Ionen, die sich nicht durch Ios vulkanische Aktivität erklären lässt. Hier muss eine bisher unbekannte Ionenquelle am Werk sein. Die Ergebnisse der Studie erscheinen heute in der Fachzeitschrift Science Advances.

Planeten wie Erde, Jupiter und Saturn, die ein eigenes, globales Magnetfeld besitzen, sind von so genannten Strahlungsgürteln umgeben: Eingefangen im Magnetfeld sausen dort schnelle, geladene Teilchen wie Elektronen, Protonen und schwerere Ionen umher und bilden so die unsichtbaren, torusförmigen Strahlungsgürtel. Mit ihren hohen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit können die Teilchen andere Moleküle bei Zusammenstoßen ionisieren und erzeugen somit eine lebensfeindliche Umgebung, die auch Raumsonden und ihren Instrumenten gefährlich werden kann. Die in dieser Beziehung extremsten Strahlungsgürtel des Sonnensystems umhüllen den Gasriesen Jupiter. In ihrer aktuellen Veröffentlichung legen die Forscherinnen und Forscher vom MPS, dem California Institute of Technology (USA), dem Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (USA), dem Laboratory of Instrumentation and Experimental Particle Physics (Portugal) und der Akademie von Athen (Griechenland) nun die bisher aussagekräftigste Untersuchung der schweren Ionen in den inneren Strahlungsgürteln des Jupiters vor.

Wie das gewaltige Magnetfeld des Jupiters reichen auch seine Strahlungsgürtel mehrere Millionen Kilometer weit ins All; allerdings ist die Region innerhalb der Umlaufbahn des Mondes Europa, also ein Bereich mit einem Radius von etwa 670.000 Kilometern um den Gasriesen, Schauplatz der höchsten Teilchendichten und -geschwindigkeiten. Vom Jupiter aus betrachtet ist Europa nach Io der zweite der vier großen, nach ihrem Entdecker als Galileische Monde bezeichneten Jupiter-Trabanten. Mit den Raumsonden Pioneer 11 Mitte der 70er Jahre, Galileo von 1995 bis 2003 und derzeit Juno haben sich bisher drei Weltraummissionen in diesen innersten Bereich der Strahlungsgürtel vorgewagt und vor Ort Messungen durchgeführt. „Leider lässt sich aus den Messdaten von Pioneer 11 und Juno nicht zweifelsfrei schließen, welche Art von Ionen die Raumsonden dort angetroffen haben“, beschreibt Dr. Elias Roussos vom MPS, Erstautor der aktuellen Studie, den Forschungsstand. „Auch ihre Energien und ihr Ursprung waren deshalb bisher unklar“, fügt er hinzu. Erst die nun wiederentdeckten Messdaten aus den letzten Monaten der Galileo-Mission konnten Abhilfe schaffen.

Vordringen in die inneren Strahlungsgürtel
1995 erreichte die NASA-Raumsonde Galileo das Jupitersystem. Ausgerüstet mit den Instrumenten Heavy Ion Counter (HIC), das vom California Institute of Technology zur Verfügung gestellt wurde, und Energetic Particle Detector (EPD), das vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Zusammenarbeit mit dem MPS entwickelt und gebaut wurde, lieferte die Mission in den folgenden acht Jahren grundlegende Erkenntnisse zur Verteilung und Dynamik der geladenen Teilchen in der Umgebung des Gasriesen. Um die Raumsonde zu schützen, durchflog sie jedoch zunächst nur die äußeren, weniger extremen Regionen der Strahlungsgürtel. Erst 2003 kurz vor Ende der Mission, als ein größeres Risiko einzugehen vertretbar war, drang Galileo in den inneren Bereich vor und erreichte gar die Umlaufbahnen der inneren Monde Amalthea und Thebe. Vom Jupiter aus betrachtet sind Amalthea und Thebe der dritte und vierte Mond des riesigen Planeten. Die Umlaufbahnen von Io und Europa verlaufen weiter außen.

„Eigentlich war damit zu rechnen, dass die Messdaten von HIC und EPD aus dem inneren Bereich des Strahlungsrings wegen der hohen Strahlenbelastung kaum brauchbar sein würden. Schließlich wurde keines der beiden Instrumente speziell für den Einsatz in einer derart rauen Umgebung entwickelt“, beschreibt Roussos seine Erwartungen, als er vor drei Jahren begann, an der aktuellen Studie zu arbeiten. Dennoch wollte sich der Forscher selbst überzeugen. Als Mitglied der NASA-Mission Cassini hatte er zwei Jahre zuvor die letzten, ähnlich gewagten Flugmanöver von Cassini am Saturn miterlebt und die einzigartigen Daten aus dieser letzten Missionsphase ausgewertet. „Der Gedanke an die längst abgeschlossene Mission Galileo lag da nahe“, erinnert sich Roussos. Zu seiner eigenen Überraschung fanden sich zwischen vielen unbrauchbaren Messungen auch einige, die sich mit viel Mühe auswerten ließen.

Rätselhafte Sauerstoff-Ionen
Mit Hilfe dieses wissenschaftlichen Schatzes konnten die Autorinnen und Autoren der aktuellen Studie nun erstmals die Art der Ionen innerhalb der inneren Strahlungsgürtel bestimmen sowie ihre Geschwindigkeiten und räumliche Verteilung. Anders als in den Strahlungsgürteln von Erde und Saturn, in denen vor allem Protonen vorkommen, finden sich in der Region innerhalb der Umlaufbahn des Jupitermondes Io auch große Mengen der deutlich schwereren Sauerstoff- und Schwefel-Ionen, wobei von beiden die Sauerstoff-Ionen überwiegen. „Die Energieverteilung der schweren Ionen außerhalb der Umlaufbahn von Amalthea deutet daraufhin, dass sie größtenteils von weiter außen eingetragen werden“, so Roussos. Als Quellen kommen vor allem der Mond Io selbst in Frage, dessen mehr als 400 aktive Vulkane immer wieder große Mengen an Schwefel und Schwefeldioxid ins All schleudern, und in geringerem Maße der Mond Europa.

Weiter innen, innerhalb der Umlaufbahn von Amalthea, ändert sich die Ionen-Zusammensetzung dramatisch zu Gunsten von Sauerstoff. „Die Konzentration und die Energie der Sauerstoff-Ionen ist dort deutlich höher als erwartet“, so Roussos. Dabei müsste die Ionen-Konzentration in diesem Bereich eigentlich abnehmen. Denn die Monde Amalthea und Thebe absorbieren von außen eindringende Ionen; ihre Umlaufbahnen bilden somit eine Art natürliche Ionen-Barriere. Dieses Phänomen ist aus den Strahlungsgürteln des Saturnsystems mit seinen vielen Monden bekannt.

Einzige Erklärung für die erhöhte Konzentration an Sauerstoff-Ionen ist deshalb eine andere, lokale Quelle im innersten Bereich der Strahlungsgürtel. So könnten etwa Zusammenstöße von Schwefel-Ionen mit den feinen Staubteilchen der Jupiterringe Sauerstoff freisetzen. Die im Vergleich zum Saturn deutlich unscheinbareren Ringe reichen in etwa bis zur Umlaufbahn von Thebe hinaus. Simulationen der Forscherinnen und Forscher zeigen, dass dieser Prozess den Sauerstoff-Ionen-Fund erklären könnte. Ebenfalls denkbar wäre, dass niederfrequente elektromagnetische Wellen in der Umgebung der innersten Strahlungsgürtel Sauerstoff-Ionen auf die beobachteten Energien aufheizen könnten.

„Aktuell lässt sich nicht zugunsten einer von beiden möglichen Quellen unterscheiden“, so Roussos. Beide möglichen Mechanismen weisen jedoch Parallelen zur Erzeugung hochenergetischer Teilchen in stellaren oder extrasolaren Umgebungen auf. Roussos hofft, dass diese Tatsache die künftige Erforschung durch eine speziell dafür vorgesehene Weltraummission rechtfertigt.

Originalveröffentlichungen
1.
Elias Roussos, Christina Cohen, Peter Kollmann, Marco Pinto, Norbert Krupp, Patricia Gonçalves, Konstantinos Dialynas:
A source of very energetic oxygen located in Jupiter’s inner radiation belts,
Science Advances, 12. Januar 2022
2.
Elias Roussos et al.:
The in-situ exploration of Jupiter’s radiation belts,
Experimental Astronomy, 30. Oktober 2021

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• Planet Jupiter

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