Seit dem Jahr 1997 habe die Planetenforscher darüber gerätselt woher der Wasserdampf stammt, der sich in den obersten Schichten der Atmosphäre des Planeten Saturn konzentriert. Daten des Weltraumteleskops Herschel haben jetzt eine Antwort geliefert.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: EPSC 2014.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Space Science Institute, DLR)
Bereits im Jahr 1997 entdeckten Wissenschaftler bei der Auswertung der Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops Infrared Space Observatory (kurz ISO), dass sich in den oberen Atmosphärenschichten des Planeten Saturn ungewöhnlich hohe Mengen an Wasserdampf befinden. Dieser Wasserdampf konnte auch in den folgenden Jahren weiter beobachtet werden.
Da die von der Sonne ausgehende ultraviolette Strahlung diesen Wasserdampf jedoch bereits nach einer realtiv kurzen Zeit in seine einzelnen atomaren Bestandteile aufspaltet, muss somit eine ‚Quelle‘ existieren, welche für einen regelmäßigen Nachschub sorgt. Da der Wasserdampf definitiv nicht aus den unteren Schichten der Saturnatmosphäre stammen kann, muss sich diese Quelle zudem außerhalb des Saturn befinden. Auf der Suche nach dieser externen Quelle sind die Planetenforscher jetzt fündig geworden.
Der Saturnmond Enceladus
Bei einem der inneren Monde des Saturn handelt es sich um den 504 Kilometer durchmessenden Mond Enceladus, welcher seinen Planeten in einem mittleren Abstand von etwa 238.000 Kilometern umkreist. Im Jahr 2005 wurde entdeckt, dass von der Südpolregion dieses Mondes eine Vielzahl von feinen ‚Jets‘ ausgehen, welche sich in eine Höhe von bis zu etwa 490 Kilometern über dessen Oberfläche erstrecken. Von den mittlerweile 101 bestätigten Geysiren werden dabei pro Sekunde insgesamt etwa 250 Kilogramm Materie in Form von Wasserdampf und Eispartikeln ausgestoßen.
Ein Teil dieses Materials geht anschließend wieder auf der Oberfläche des Mondes nieder und sorgt dort in bestimmten Regionen für eine Art ‚Schneefall‘. Speziell die masseärmeren Partikel überwinden dagegen das Schwerkraftfeld von Enceladus und entweichen in das umgebende Weltall, wobei kleinere Eispartikel die Hauptquelle für den E-Ring des Saturn bilden.
Das Weltraumteleskop Herschel
Der Großteil des ausgestoßenen Wasserdampfes – so das Ergebnis der Auswertungen der Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops Herschel – konzentriert sich dagegen in Form eines donut-förmigen Torus um den Mond. Dieser Torus erreicht dabei bei einer Stärke von rund 60.000 Kilometern eine Ausdehnung von mehr als 600.000 Kilometern. Aufgrund der relativ geringen Entfernung zwischen dem äußeren Rand dieser Struktur und der obersten Schicht der Saturnatmosphäre wird ein Teil des dort befindlichen Wasserdampfes schließlich bis in die oberen Schichten der Planetenatmosphäre transportiert.
Computermodelle legen dabei nahe, dass letztendlich rund drei bis fünf Prozent des ursprünglichen von Enceladus ausgestoßenen Wassers tatsächlich die Saturnatmosphäre erreichen. Obwohl sich somit der Großteil des Wassers von Enceladus in den Weiten des Weltraums verliert beziehungsweise die Saturnringe erreicht und dort zu Eis gefriert oder auf den Oberflächen der inneren Saturnmonde niedergeht, ist der Bruchteil, welcher tatsächlich die Saturnatmosphäre erreicht, ausreichend, um die Anwesenheit von Wasser in dessen äußeren Atmosphäre in der gemessenen Menge zu erklären.
Die Untersuchung der Wasservorkommen in den Stratosphären der äußeren Planeten unseres Sonnensystems war eines der Hauptziele des „Herschel Solar System Observations“-Progamms zur Untersuchung der in unserem Sonnensystem befindlichen Himmelskörper. Der Nachweis des den Mond Enceladus umgebenden ‚Wasserdampfringes‘ gelang durch den Einsatz des „Photodetector Array Camera and Spectrometer“ (kurz „PACS“), einem der drei wissenschaftlichen Experimente von Herschel. Dieses abbildende Spektrometer war in der Lage, den im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichtes unsichtbaren Wasserdampf im Rahmen von insgesamt 300 Beobachtungsstunden im infraroten Lichtbereich direkt abzubilden.
Die hier kurz angerissenen Forschungsergebnisse wurden am heutigen Tag auf dem European Planetary Science Congress, einer gegenwärtig in der Nähe von Lissabon stattfindenden Fachtagung der Planetenforscher, vorgestellt.
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