Die “überraschende” chemische Komplexität der Saturnringe verändert die obere Atmosphäre des Planeten

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Der politische Humorist Mark Russel scherzte einmal: “Die wissenschaftliche Theorie, die mir am besten gefällt, ist, dass die Ringe des Saturn vollständig aus verlorenem Fluggepäck bestehen.”

Nun, es gibt kein Gepäck, wie sich herausstellt. Aber eine neue Studie, die in Science erscheint und auf Daten der letzten Umlaufbahnen der Cassini-Raumsonde der NASA basiert, zeigt, dass die Ringe des Saturn – eines der visuell großartigsten Objekte im Sonnensystem – chemisch viel komplizierter sind, als bisher angenommen.

Die Raumsonde Cassini bei Ihrem Besuch des Saturn

Darüber hinaus zeigt die Veröffentlichung, dass der innerste D-Ring des Gasriesen Staubkörner – die einen unerwarteten chemischen Cocktail enthalten – mit einer außergewöhnlichen Geschwindigkeit in die obere Atmosphäre des Planeten schleudert, während sich dieser dreht. Die Forscher sind der Meinung, dass dieses einfallende Material den Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt der Atmosphäre auf Lange Sicht hin verändern könnte.

“Dies ist ein neues Element, wie unser Sonnensystem funktioniert”, sagte Thomas Cravens, Professor für Physik und Astronomie an der Universität von Kansas und Co-Autor des neuen Papers. “Zwei Dinge haben mich überrascht. Eins davon ist die chemische Komplexität dessen, was aus den Ringen kommt – wir dachten, dass es basierend auf dem, was wir in der Vergangenheit gesehen haben, fast ausschließlich Wasser wäre. Die zweite Sache ist die schiere Menge – viel mehr als wir ursprünglich erwartet hatten. Die Qualität und Quantität der Materialien, die die Ringe in die Atmosphäre transportieren, hat mich überrascht. “

Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) (Bild: NASA)

Cravens ist Mitglied des Cassini-Teams Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS). Während Cassini 2017 in den innersten Ring und die obere Atmosphäre des Saturns eindrang, nahm das Massenspektrometer an Bord der Sonde Chemikalien zwischen den Saturnringen und der Atmosphäre auf.

Die INMS fand in den Ringen sehr viel mehr, als nur Wasser:  Methan, Ammoniak, Kohlenmonoxid, molekularer Stickstoff und Kohlendioxid.

Dies ist das bis heute detaillierteste Farbbild der Saturnringe.
(PIA21628 Bild:: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute Veröffentlicht: September 7, 2017)

“Die neue Studie beschreibt die chemische Umwelt in der Lücke zwischen dem inneren Ring und der oberen Atmosphäre. Einige der gefundenen Dinge wurden erwartet, wie z.B. Wasser”, sagte Cravens. “Eine Überraschung war, dass das Massenspektrometer Methan gefunden hat – niemand hat das erwartet. Außerdem fand es Spuren von Kohlendioxid, was ebenfalls unerwartet war. Man nahm bislang an, dass die Ringe ausschließlich aus Wasser bestanden. Aber die innersten Ringe sind ziemlich verunreinigt, da sich herausgestellt hat, dass organisches Material im Eis eingeschlossen ist.”

Ein weiterer neuer Befund aus Cassinis Massenspektrometer zeigte, dass große Mengen des chemischen Gemisches aus dem Saturn-D-Ring in die obere Atmosphäre des Planeten geschleudert werden, da sich der Ring schneller dreht, als die Atmosphäre des Planeten selbst.

“Wir haben gesehen, dass es so ist, obwohl wir es nicht vollständig verstehen”, sagte der KU-Forscher. “Was wir gesehen haben, ist, dass dieses Material die oberste Atmosphäre des Saturn in der äquatorialen Region verändert hat. Es gab sowohl Körner als auch Staub, die kontaminiert waren.”

Cassini großes Finale – The Journey ends

Die Ergebnisse könnten neues Licht auf Mechanismen sowohl unseres eigenen als auch auf andere Sonnensysteme und Exoplaneten werfen.  Zudem werfen sie auch eine Vielzahl neuer wissenschaftlicher Fragen auf.

“Das könnte uns helfen zu verstehen, wie ein Planet Ringe bekommt. Manche bekommen welche, andere nicht”, sagte er. “Wie  hoch ist die Lebensdauer eines Rings? Und aus was bestehen sie? Gab es eine Zeit, in der Saturn keine Ringe hatte? Wie kam diese Zusammensetzung überhaupt zustande? Sind sie von der Entstehung unseres Sonnensystems übrig geblieben? Gehen sie zurück auf den Proto-Vor-Sonnen-Nebel, den Nebel, aus dem der interstellare Staub entstanden ist, aus dem sich dann die Sonne und die Planeten geformt haben?”

Laut Cravens ist die Auswurfrate des Materials, das aus dem D-Ring des Saturn in die obere Atmosphäre oder Ionosphäre des Planeten ausgestoßen wird, höher als erwartet.  Sie ist so eklatant höher, dass Astronomen jetzt sogar davon ausgehen, dass die Lebensdauer des Rings kürzer sein könnte, als bisher angenommen.

“Aufgrund dieser Daten haben wir jetzt die Lebensdauer der Innenringe entsprechend der Menge des Materials, das herausbewegt wird, verkürzt – es ist viel mehr als wir vorher dachten”, sagte Cravens. “Wir wissen, dass das Material mindestens zehn Mal schneller aus den Ringen herausgeschleudert wird, als wir bislang dachten. Wenn es nicht wieder aufgefüllt wird, werden die Ringe nicht lange standhalten. Ringe kommen und gehen. Irgendwann werden sie sich allmählich auflösen, wenn sie nicht irgendwie neues Material bekommen. “

Die erste Stufe der Arbeit von Cravens bestand darin, die Rohdaten von Cassinis INMS-Instrument zu sortieren und zu bereinigen, wobei er von KU-Absolventen und Studenten unterstützt wurde.

Cravens’ Hauptbeitrag beinhaltete jedoch die Interpretation dieser Daten mit dem Fokus darauf, wie Materialien aus den Ringen die Ionosphäre des Saturn verändern. Cravens und seine Kollegen berichten, dass der Einfluss von Chemikalien aus den Ringen Saturns die äquatoriale Ionosphärenchemie verändert, indem die Wasserstoffionen und dreiatomigen Wasserstoffionen in schwerere Molekülionen umgewandelt werden, wodurch die Ionosphärendichte des Planeten verringert wird.

“Mein Interesse galt der Ionosphäre, der Umgebung mit geladenen Teilchen, und darauf habe ich mich konzentriert”, sagte Cravens. “Dieser Müll, der in die Ionosphäre eindringt, beeinflusst ihre Zusammensetzung und verursacht beobachtbare Effekte – das versuchen wir jetzt zu verstehen. Die Daten sind klar, aber Erklärungen werden immer noch modelliert und das wird eine Weile dauern. Das Material kommt mit hohen Geschwindigkeiten in den Saturn, weil sich die Ringe schneller bewegen, als die Atmosphäre.

Es fällt nicht einfach sanft hinein. Es fliegt dort hinein wie ein Satellit, der unseren eigenen Planeten erreicht. Diese Staubkörner bewegen sich mit Satellitengeschwindigkeit und speichern Energie, die die Atmosphäre dissoziieren kann. Pro Atom ist es wegen der Geschwindigkeitsdifferenzierung zwischen den Ringen und der Atmosphäre ziemlich energetisch. Wir denken, dass es die obere Atmosphäre erhitzen und ihre Zusammensetzung verändern könnte. “


Veröffentlichung: Michele K. Dougherty, Hao Cao, Krishan K. Khurana, Gregory J. Hunt, Gabrielle Provan, Stephen Kellock, Marcia E. Burton, Thomas A. Burk, Emma J. Bunce, Stanley W. H. Cowley, Margaret G. Kivelson, Christopher T. Russell, David J. Southwood. Saturn’s magnetic field revealed by the Cassini Grand Finale. Science, 2018; 362 (6410): eaat5434 DOI: 10.1126/science.aat5434

Quelle: off. Pm der University of Kansas

Links: Entdecke Cassini in 3D


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.