Warmes Eis, oder flüssiges Wasser?

Die Diskussionen um die Natur der Quellen, die die 2005 erstmals beobachteten Geysire des Enceladus speisen, kommen weiterhin nicht zur Ruhe. Nur eines scheint sich immer weiter zu bestätigen: Der kleine Eismond entwickelt sich immer weiter zu einem aussichtsreichen Kandidaten bei der Suche nach potentiellem Leben im Sonnensystem.

 

 

Die Schlüsselfrage in der derzeitigen Betrachtung des Mondes und seines Kryovulkanismus liegt im Ursprung und Chemismus  seiner Auswurfwolken. Stammen die spektakulär anzusehenden Wolken aus Wasserdampf und Eispartikelchen von flüssigem Wasser ab, dicht unter der gefrorenen Oberfläche? Oder spielt der thermodynamische Prozess der Sublimierung bei ihrer Charakterisierung die entscheidende Rolle? „Warmes“ Eis, erzeugt durch die Abspaltung von Gashydraten, oder flüssiges Wasser, in Gestalt einer Region – oder gar eines globalen Ozeans – unterhalb der Eiskruste, was ist der Quell, aus dem sich alles speist? Die Antwort auf diese Frage wird sicherlich in absehbarer Zeit nicht bis in die letzte Konsequenz zu erschließen sein. Immerhin scheint sich allerdings allmählich eine leichte Tendenz in der Einschätzung einer Reihe von Daten und Fakten zugunsten einer Anschauung abzuzeichnen. 

Nachdem, wie schon berichtet, das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) stichhaltige Ansatzpunkte für die Variante „Flüssiges Wasser“ sieht, scheinen Daten aus einem im vergangenen Oktober absolvierten Durchflug Cassini’s durch eine der Auswurfwolken diese Sichtweise stützen zu können, genauer gesagt, in der Wolke nachgewiesene organische Komponenten, Deuterium, Ammoniak, sowie das hinreichend gesichert aufgeschlüsselte Argon-40, scheinen dies zu tun. Seit ihrer Entdeckung wurden die Jets des Eismondes insgesamt fünf Mal im Rahmen direkter Durchflüge, oder naher Vorbeiflüge zumeist anhand des Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) an Bord von Cassini analysiert. Wasser und Kohlenstoffdioxid bilden die Hauptbestandteile des noch Tausende Kilometer oberhalb der Oberfläche nachweisbaren Sprays. 

 

Der Event des 09. Oktober nun ermöglichte vor dem Hintergrund seiner außerordentlichen Signalqualität erstmals die Identifikation komplexer organischer Komponenten, wie beispielsweise Benzol, ein klassischer Kohlenwasserstoff, die in den vorausgegangenen Passagen nicht belegt werden konnten. 

 

 

 

Argon-40, ein Isotop, das beim radioaktiven Zerfall von Kalium-40 entsteht, spielt in dieser Argumentationskette vielleicht sogar die gewichtigste, mindestens indes die neueste Rolle. Auf der Erde, aber auch auf Titan,  wird es beispielsweise (im Falle der Erde) aus Gesteinen freigesetzt, anlog könnte man insofern also ein innerhalb des Mondinneren zirkulierendes flüssiges Medium annehmen, das für den bewiesenermaßen vorhandenen Edelgasanteil in der Auswurfwolke verantwortlich zeichnet. (Szenarien, die sich mit flüssigen, unterirdischen Ozeanen globalen Ausmaßes beschäftigen, werden deckungsgleich in Bezug auf Titan oder auch Europa und Ganymed gezeichnet) 

Argon kommt in solch hohen Mengen vor, dass zu ihrer Erklärung sowohl ein hocheffizienter Mechanismus zur Freisetzung des Gases aus den Gesteinen, sowie auch ein Konzentrationsverfahren existieren muss. In einem undifferenzierten Eis-Felsen-Körper entweicht Argon durch Diffusion über mehrere Milliarden Jahre, Festkörperdiffusion ist allerdings über lange Zeitskalen hinweg betrachtet uneffektiv. Ebenso liefert die Festkörperdiffusion keine genügende Erklärung der Argonkonzentration innerhalb des Eises. Früh in der Enceladusgeschichte stattfindende Wasser-Gestein-Interaktionen hingegen erleichtern ein Entweichen des Argons durch Kalium- und Argonauslösung (aus dem Kern.) Da weitergehend das Volumen des Wassers, in das das Kalium und Argon ausgewaschen wurden, kleiner als das des überlagernden Eispanzers ist, ist sein (des Wassers) hoher Gehaltsanteil an Ar und K bündig nachvollziehbar. Demzufolge dürfte angereichertes Wasser unmittelbar eine aktive Rolle in den beobachteten Geysirwolken spielen.     

Im Hinblick auf den  „Gefrierschutzeffekt“ des Ammoniaks (zusammen mit Methanol und Salzen), welches ebenfalls einen nicht unerheblichen Anteil im Wasserdampf (0,8% und damit nicht nur akzidentiell oberhalb es bis dato angenommenen Wertes von 0,5%) über den Tiger Stripes ausmacht, lässt sich schlüssig auf eine fließende, bzw. geschmolzene Wasserquelle als Ursprungsort der Geysire verweisen.  Denn je nach Ammoniakanteil verbleibt Wasser auch bei minus 100° C oder um 175° K noch immer im flüssigen Aggregatszustand, was demzufolge als essentiell bewertet werden muss, da Cassini bei allen bisherigen Untersuchungen Temperaturen von maximal – 93° C oberflächennah um das Gebiet der Tiger Stripes nachweisen konnte. Über die Herkunft des NH3 lässt sich nur mutmaßen, allgemein wird über ein entsprechendes Vorhandensein schon in den Planetesimale, aus denen Enceladus entstanden ist, spekuliert.

 

Eingedenk der Natrium- und Kaliumvorkommen in Saturn’s E-Ring, einem Ring, der direkt aus dem Kryovulkanismus des Enceladus gespeist wird, stellen kohlenstoffhaltige Moleküle wie Methan, Ethanol, Kohlenwasserstoffe oder auch das einfachste Aldehyd Methanal - die allesamt in reichlichen Konzentrationen in den Auswurfwolken nachzuweisen sind -  weitere Bausteine innerhalb einer Indizienkette dar, sie nicht nur von einem salzig, flüssigen Quell des Wasserdampfes ausgeht, sondern Enceladus auch weiterhin zu einem aussichtsreichen Kandidaten bei der Suche nach potentiell vorhandenem oder möglicherweise zukünftigen Leben innerhalb des Sonnensystems werden lässt. Selbst während Zyklen eines globalen Abkühlens, könnte die ozeanische Schicht unterhalb der Eisdecke die Bedingungen beibehalten, die im Rahmen von Gezeitentätigkeiten erneute geologische Aktivitäten ermöglichen. 

Wie es auch schon bei Titan der Fall ist, suggeriert das primordiale Argon in der Auswurfwolke eher NH3 als Clathrate, bzw. Einschlussverbindungen als Stickstofftransporteur. Als thermales Zerfallsprodukt des Ammoniaks würde im Mondinneren molekularer Stickstoff erwartet werden, der im Massenspektrum klassifizierbar sein sollte. Tatsächlich lässt sich innerhalb des Massenspektrums ein entsprechender Peak nachweisen, jedoch ist seine Interpretation aktuell hoch hypothetisch, denn der Wert ließe sich mit eingeschränkter Plausibilität gleichermaßen Ethen (Ethylen)  oder Kobalt (das durch Hochenergieimpakte als Abspaltprodukt entstanden sein könnte) zuordnen. Freilich stellte C2H4 als Quelle den weitaus herausfordernden Erklärungsansatz, da sein Vorkommen nach derzeitigem Kenntnisstand nicht in Kometen beobachtet wurde, und es infolge dessen vergleichsweise unwahrscheinlich ist, dass große Mengen dieses Alkens  in den Planetesimale vorhanden war, aus denen sich Enceladus formte.

Darüber hinaus verdient ein weiters Hemmnis Beachtung: Innerhalb des Massenspektrums lässt sich Blausäure in einem  Volumenverhältnis von <7,4x10-13 nachweisen. Sie „verseift“ jedoch rapide in warmem  Wasser zu Ameisensäure und Ammoniak. Ihr Nachweis in der Auswurfwolke scheint infolgedessen mit der hydrothermalen Produktion des molekularen Stickstoffs unvereinbar zu sein. Auf der anderen Seite mag die Koexistenz von Stickstoff und Blausäure im Wasserdampf bedeuten, dass die Wolke aus Substanzen besteht, deren Quellen nicht alle – und wenn doch, in unterschiedlich starken Ausprägungen - wässriger Einflüsse ausgesetzt waren. (Wie beispielsweise Urzeitliches Material, dass in Eis ohne Kontakt zu flüssigem Wasser gefangen ist) 

 

 

 

Eine weitere Frage entsteht bei der Betrachtung, dass der gesamte, in den vergangenen 4,5 Mrd. Jahren durch radioaktiven Zerfall entstandene Argon-40 Vorrat, nach heutigen quantitativen Gesichtspunkten der Geysiraktivität betrachtet, innerhalb weniger Millionen Jahre erschöpft wäre. Es scheint sich also bei dem beobachteten Absolutbetrag um keinen stabilen Gleichgewichtszustand zu handeln, oder aber es herrscht zumindest periodisch eine in weiten Teilen diskontinuierliche Geysirtätigkeit vor, die auch notwendig wäre, um die nachgewiesenen Wärmeflussraten des Enceladus mit den durchschnittlich durch Gezeitenkräfte ermöglichten Energieraten in Einklang zu bringen. 

Die Zusammensetzung der Dampfwolken spricht also sowohl für eine komplexe Historie, wie auch Gegenwart des Mondes. Eine unvollständig aufgeschmolzene Eiskruste und (ehemaliger) Kontakt der Schmelze als flüssiges Medium mit einem heißen Felskern haben wohl zu der jetzt durch Cassini nachvollzogenen dynamischen Situation geführt, in der die chemische Abgabe eines Ungleichgewichtes und nicht die eines thermodynamischen Gleichgewichtes die jüngsten Messreihen beherrscht. 

Zusammen mit dem Natriumnachweis in den Partikeln des E-Rings bilden die Ausströmgeschwindigkeiten des Dampfes und die soeben beschriebenen Ergebnisse eine Stringenz im Hinblick auf das derzeitige, respektive geologisch betrachtet, gegenwartsnahe Vorhandensein von Flüssigkeitsreservoirs unterhalb der Mondoberfläche, auch (oder gerade weil) die INMS-Daten sowohl die Anwesenheit von flüssigem Wasser, als auch von Eis zu erfordern scheinen. Auf der einen Seite fordert das reichlich vorhandene Argon-40 und Ammoniak eine „wässrige“ Aktivität im Mondinneren. Auf der anderen Seite existieren höhere Präsenzraten von Kohlendioxid und Methan im Verhältnis zu Wasser, als man anhand der wässrigen Löslichkeit dieser Komponenten bei den derzeit auf Enceladus herrschenden Bedingungen erwarten dürfte. 

  

Man kann sich ein Flüssigkeitsreservoir als ein Multiphasensystem vorstellen, in dem die Flüssigkeitsphase mit der Kondensationsphase koexistiert. Alternativ ließe sich allerdings auch Eis über einer Zone Gashydrate als Quelle von beispielsweise der Blausäure oder des Benzols benennen.    

Wie schon eingangs erwähnt, verbleibt bei der Frage nach dem Ursprung der Enceladus-Fontänen weiterhin ein leidliches Maß an Unsicherheitsfaktoren, auch, wenn sich augenblicklich die Waagschale leicht Richtung flüssigem Wasser zu neigen scheint.