Jahrzehnte bevor eine Sonde einen Zeh – und ein Thermometer – in die Gewässer ferner Ozeanwelten taucht, haben Astrobiologen der Cornell University eine neuartige Methode entwickelt, um die Temperatur der Ozeane anhand der Dicke ihrer Eispanzer zu bestimmen und auf diese Weise Ozeanografie vom Weltraum aus zu betreiben.
Verfügbare Daten, die Schwankungen in der Eisdicke zeigen, erlauben bereits eine Vorhersage für die obere Ozeanschicht des Saturnmondes Enceladus. Die von der NASA-Mission geplante Fernerkundung der Eishülle von Europa sollte das Gleiche für den viel größeren Jupitermond ermöglichen und die Erkenntnisse der Mission zur Frage verbessern, ob er Leben beherbergen könnte.
Die Forscher vermuten, dass ein als “Eispumpen” bezeichneter Prozess, den sie unter den Eisschilden in der Antarktis beobachtet haben, wahrscheinlich die Unterseiten der Eispanzer von Europa und Enceladus gestaltet, aber auch auf Ganymed und Titan, den großen Monden von Jupiter bzw. Saturn, ablaufen sollte. Sie zeigen, dass die Temperaturbereiche in den wichtigen Regionen, in denen Eis und Ozean interagieren (dort, wo möglicherweise Bestandteile für Leben ausgetauscht werden), anhand des Gefälles einer Eishülle und der Änderungen des Gefrierpunkts von Wasser bei unterschiedlichen Druckverhältnissen und Salzgehalten berechnet werden können.
“Wenn wir die Mächtigkeitsschwankungen dieser Eispanzer messen können, können wir die Temperatur der Ozeane bestimmen, was bisher nur durch Bohrungen möglich ist”, sagte Britney Schmidt, außerordentliche Professorin für Astronomie und für Erd- und Atmosphärenforschung am College of Arts and Sciences und Cornell Engineering. “Dies gibt uns ein weiteres Instrument, um herauszufinden, wie diese Ozeane funktionieren. Und die große Frage ist: Lebt dort etwas, oder könnte etwas dort leben?”
Schmidt ist Mitglied des Europa-Clipper-Wissenschaftsteams der NASA. Zusammen mit aktuellen und ehemaligen Mitgliedern ihres Planetary Habitability and Technology Lab ist sie Mitautorin der Studie “Ice-Ocean Interactions on Ocean Worlds Influence Ice Shell Topography“, die am 13. Februar im Journal of Geophysical Research: Planets veröffentlicht wurde. Der Erstautor ist Justin Lawrence, Gastwissenschaftler am Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science (A&S) und Programmmanager bei Honeybee Robotics.
Im Jahr 2019 beobachtete Schmidts Team, darunter Lawrence, mit dem ferngesteuerten Icefin-Roboter das Pumpen von Eis in einer Gletscherspalte unter dem Ross-Schelfeis in der Antarktis. Glattes und trübes Schneeeis an der Schelfbasis schmolz, wodurch frischeres, weniger dichtes Wasser entstand, das die Spalte hinaufstieg und als raues, grünes Meereseis wieder gefror. Die Ergebnisse wurden in den Fachzeitschriften Nature Geoscience und Science Advances unter der Leitung von Lawrence und Peter Washam, einem Forscher in der Abteilung für Astronomie (A&S), veröffentlicht.
Dieser Prozess wird dadurch angetrieben, dass der Gefrierpunkt von Wasser umgekehrt proportional vom Druck abhängt: Mit zunehmender Tiefe und steigendem Druck muss das Wasser kälter sein, um sich auszudehnen und zu gefrieren. In großer Tiefe, wo der Druck höher und der Gefrierpunkt kälter ist, können die Meeresströmungen das Eis leichter schmelzen. Wenn das geschmolzene Eiswasser Auftrieb hat und in geringere Tiefen mit niedrigerem Druck aufsteigt, gefriert es wieder. Durch diesen Kreislauf wird ein Teil des Eises innerhalb eines Schelfs oder einer Hülle umverteilt, wodurch sich seine Zusammensetzung und Beschaffenheit ändert.
“Überall dort, wo diese Dynamik auftritt, erwartet man, dass das dieser Eispumpenprozess abläuft”, sagte Lawrence. “Man kann anhand der Topografie vorhersagen, was an der Schnittstelle zwischen Eis und Ozean vor sich geht – wo das Eis dick oder dünn ist und wo es gefriert oder schmilzt”.
Die Forscher kartierten die Bereiche der potenziellen Eispanzerdicke, des Drucks und des Salzgehalts für Ozeanwelten mit unterschiedlicher Schwerkraft und schlussfolgerten, dass der Eispumpenprozess in den wahrscheinlichsten Szenarien auftreten würde, wenn auch nicht in allen. Sie stellten fest, dass die Wechselwirkungen zwischen Eis und Ozean auf Europa jenen ähnlich sein könnten, die unter dem Ross-Schelfeis beobachtet wurden – laut Lawrence ein Beleg dafür, dass solche Regionen zu den erdähnlichsten auf fremden Welten gehören könnten.
Die von der NASA-Raumsonde Cassini gesammelten Daten reichen aus, um anhand des Gefälles der Eishülle von den Polen zum Äquator einen Temperaturbereich für den Ozean von Enceladus vorherzusagen: -1,095 Grad bis -1,272 Grad Celsius. Die Kenntnis der Temperaturen gibt Aufschluss darüber, wie die Wärmeströmungen durch die Ozeane fließen und wie sie zirkulieren, was die Bewohnbarkeit beeinflusst.
Die Forscher gehen davon aus, dass der Eispumpenprozess auf Enceladus, einem kleinen Mond (so groß wie Arizona) mit dramatischer Topografie, nur schwach ausgeprägt ist, wohingegen er auf dem größeren Mond Europa (fast so groß wie der Erdmond) schnell wirkt und die Basis der Eishülle glättet und abflacht.
Schmidt sagte, die Arbeit demonstriere, wie die Erforschung des Klimawandels auf der Erde auch der Planetenforschung nutzen kann – das ist ein Grund, warum die NASA die Entwicklung von Icefin unterstützt hat. “Es gibt einen Zusammenhang zwischen der Form des Eispanzers und der Temperatur im Ozean”, sagte sie. “Dies ist eine neue Möglichkeit, um mehr Erkenntnisse aus den Messungen der Eispanzer zu gewinnen, die wir hoffentlich auch bei Europa und anderen Welten durchführen können.”
Neben Lawrence, Schmidt und Washam sind Jacob Buffo (Dartmouth College), Chase Chivers (Postdoktorand an der Woods Hole Oceanographic Institution) und Sara Miller (Doktorandin für Erd- und Atmosphärenforschung) Mitautoren der Studie.
Die Forschungsarbeiten wurden vom FINESST-Programm (Future Investigators in NASA Earth and Space Science and Technology) und vom PSTAR-Programm (Planetary Science and Technology from Analog Research) der NASA sowie von der National Science Foundation unterstützt.
(THK)
Antworten