02.03.2010

Jahrhunderte altes Rätsel des Iapetus gelöst

Die eine Hälfte ist weiß, die andere dunkel - Astronomen finden die Ursache für die verschieden hellen Hemisphären des Saturnmondes nach fast 300 Jahren.

Die eine Hälfte ist weiß, die andere dunkel - Astronomen finden die Ursache für die verschieden hellen Hemisphären des Saturnmondes nach fast 300 Jahren.

Die Riesenplaneten in unserem Sonnensystem besitzen zahlreiche Monde. Fast alle bestehen im Wesentlichen aus Wassereis, und viele weisen hochinteressante, teilweise überraschende Eigenschaften auf. Die am längsten bekannte Eigentümlichkeit ist die globale Helligkeitsdichotomie des Saturnmondes Iapetus: Während eine Hemisphäre weiß erscheint, ist die andere sehr dunkel (siehe Abbildung). Die Ursache dieses Phänomens konnten wir jetzt erklären.

Abb.: Iapetus' vorauseilende (links) und nachfolgende Hemisphäre zeigen völlig verschiedene Gesichter (Bild: NASA/JPL/Space Science Institute)

Der Astronom Jean-Dominique Cassini entdeckte Iapetus am 25. Oktober 1671. Schon sehr bald bemerkte er, dass er diesen Mond immer nur westlich von Saturn, nie aber östlich davon sehen konnte. Er deutete dies in zwei Publikationen von 1677 damit, dass die Oberfläche von Iapetus unterschiedlich beschaffen sein müsse: Die in Flugrichtung weisende Bugseite sei dunkel und die entgegen der Flugrichtung weisende Heckseite hell.

Diese Interpretation war korrekt. Dennoch dauerte es fast 300 Jahre, bis die ersten Erklärungsversuche veröffentlicht wurden, von denen jedoch keiner allgemeine Akzeptanz fand. Anfang der 1980er Jahre flogen dann die beiden Raumsonden Voyager 1 und 2 am Saturn vorbei. Die Bilder zeigten, dass die globale Helligkeitsdichotomie von Iapetus nicht exakt mit der Bug- und der Heckseite korreliert ist: Teile des dunklen Gebiets ragen in Äquatornähe weit in die Heckseite hinein, während die Polregionen auch auf der Bugseite hell sind.

Doch selbst mit diesen Aufnahmen gelang es nicht, die Ursache für die Helligkeitsdichotomie zu finden. Erst mit Bildern und Temperaturdaten der Raumsonde Cassini (Physik in unserer Zeit 2008, 39 (5), 220), die im Juli 2004 in eine Saturnumlaufbahn einschwenkte, konnte das Rätsel gelöst werden [1]. Es stellte sich heraus, dass mehrere Effekte eine Rolle spielen. Der entscheidende ist ein sich selbst verstärkender Sublimationsprozess von Wassereis, der bevorzugt in niederen Breiten auf der Bugseite abläuft.

Wassereis sublimierte über Millionen und Milliarden von Jahren von der Oberfläche. Dabei reicherte sich eine schwer flüchtige, dunkle Materialkomponente an, die in geringen Mengen im ursprünglichen Wassereis der Oberfläche vorhanden war. Dadurch wurde die Oberfläche dunkler und erwärmte sich dort stärker als in den anderen Gebieten. Sublimationsprozess und Erwärmung beschleunigten sich immer mehr, bis schließlich alles Wassereis verschwunden und nur noch eine wenige Zentimeter bis Dezimeter dicke, lockere, dunkle Deckschicht übrig geblieben war. Das Eis schlug sich an polwärts gerichteten Kraterrändern auf der Heckseite und in Polnähe nieder, und Iapetus erhielt sein heutiges Aussehen.

Warum aber passierte das so extrem auf der Bugseite und nicht auch auf der Heckseite? Sollte man nicht annehmen, dass ein von der Sonne initiierter thermischer Prozess vor allem breitengradabhängig wirkt?

Diese Fragen beantwortet die globale Farbdichotomie [2]. Auf Cassini-Bildern wurde entdeckt, dass Material auf Iapetus' Bugseite ein wenig dunkler und rötlicher ist als gleichartiges Material auf der Heckseite. Anders als bei der globalen Helligkeitsdichotomie ist hier die Korrelation zwischen Bug- und Heckseite ziemlich exakt, und der Übergang ist nicht scharf, sondern diffus. Eine solche Eigenschaft lässt sich mit einfallendem Staub erklären, der vermutlich von den äußeren Saturnmonden stammt und nur die Bugseite trifft. Auf der Bugseite herrschten demnach von Anfang an ein wenig andere Bedingungen als auf der Heckseite; hier verstärkt von außen kommender Staub die Verdunkelung und Erwärmung zusätzlich. Offenbar genügte genau diese leichte Asymmetrie, um den sich selbst verstärkenden Sublimationsprozess auf der Bugseite auszulösen.

Auf der Heckseite und an den Polen (und auf den anderen Saturnmonden) hingegen blieb die Sublimationsrate von Wassereis so gering, dass das permanente Umgraben der oberen Schichten durch Mikrometeoriten immer genug helles Eis an die Oberfläche transportieren konnte und dort keine so drastische Verdunkelung stattfand.

Schließlich bleibt die Frage, warum wir dieses Phänomen ausschließlich auf Iapetus antreffen. Vier Randbedingungen sind hierfür verantwortlich:

  1. Wegen der großen Entfernung zur Sonne herrschen auf den Oberflächen der Saturnmonde zumeist Temperaturen von weniger als 100 Kelvin; Wassereis ist dort weitgehend stabil.
     
  2. Iapetus rotiert extrem langsam; für eine Umdrehung benötigt er 1904 Stunden. Die Sonne scheint also auf die meisten Punkte der Oberfläche sehr viel länger am Stück als auf den anderen Monden, und entsprechend kann auf Teilen der Iapetus-Oberfläche die Nachmittags-Temperatur höhere Werte (über 130 K) erreichen.
     
  3. Iapetus' Oberflächengravitation beträgt nur 1/43 der irdischen. Deshalb können sublimierte Eismoleküle Hunderte bis Tausende von Kilometern überwinden, bevor sie an kalten Stellen resublimieren. Nur so ist eine globale Dichotomie auf Iapetus, dessen mittlerer Durchmesser etwa 1470 km beträgt, möglich.
     
  4. Iapetus ist der äußerste Körper im regulären Mondsystem des Saturn. (Regulär bedeutet, dass der Mond vermutlich gemeinsam mit Saturn entstanden ist und nicht erst später eingefangen wurde, und der Umlaufsinn entspricht der Rotationsrichtung des Planeten). Damit ist er das erste Hindernis für Staub von den äußeren Monden, der auf retrograden, spiralförmigen Bahnen nach innen wandert.  

Tilmann Denk, Freie Universität Berlin

Quelle: Physik in unserer Zeit, 2010, (2) 41, 62

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