Jupiters Eismond Callisto. Bildnachweis: NASA Zum Vergrößern anklicken
Während Wissenschaftler mehr über unser Sonnensystem erfahren, haben sie in einigen ungewöhnlichen Situationen Wassereis gefunden. Eine der faszinierendsten dieser Umgebungen befindet sich auf eisigen Monden, wie Jupiters Europa und Uranus’ Triton. Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory haben diese Art von Eis in ihrem Labor nachgebildet; Eis, das wahrscheinlich die Bedingungen von Druck, Temperatur, Spannung und Korngröße nachahmt, die auf diesen Monden zu finden sind. Dieses Eis kann je nach Temperatur im Inneren der Monde langsam kriechen und herumwirbeln.
Das alltägliche Eis, das Sie zum Kühlen Ihres Limonadenglases verwenden, hat den Forschern geholfen, die innere Struktur von Eismonden in den Weiten des Sonnensystems besser zu verstehen.
Ein Forschungsteam hat eine neue Art des „Kriechens“ oder Fließens in einer Hochdruckform von Eis demonstriert, indem es in einem Labor Bedingungen für Druck, Temperatur, Spannung und Korngröße geschaffen hat, die denen in den tiefen Innenräumen großer eisige Monde.
Hochdruck-Eisphasen sind Hauptbestandteile der riesigen Eismonde des äußeren Sonnensystems: Jupiters Ganymed und Callisto, Saturns Titan und Neptuns Triton. Triton hat ungefähr die Größe unseres eigenen Mondes; die anderen drei Riesen haben einen etwa 1,5-fach größeren Durchmesser. Eine anerkannte Theorie besagt, dass die meisten Eismonde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren als „schmutzige Schneebälle“ aus der Staubwolke um die Sonne (dem Sonnennebel) kondensiert sind. Die Monde wurden durch diesen Akkretionsprozess und durch den radioaktiven Zerfall ihres Gesteinsanteils intern erwärmt.
Der konvektive Eisstrom (ähnlich wie die Wirbel in einer heißen Tasse Kaffee) im Inneren der eisigen Monde kontrollierte ihre spätere Entwicklung und heutige Struktur. Je schwächer das Eis, desto effizienter die Konvektion und desto kühler die Innenräume. Umgekehrt gilt: Je stärker das Eis ist, desto wärmer sind die Innenräume und desto größer ist die Möglichkeit, dass so etwas wie ein flüssiger interner Ozean erscheint.
Die neue Forschung zeigt in einer der Hochdruckphasen des Eises („Eis II“) einen Kriechmechanismus, der von der Kristallit- oder „Korngröße“ des Eises beeinflusst wird. Dieser Befund deutet auf eine deutlich schwächere Eisschicht der Monde hin als bisher angenommen. Eis II tritt erstmals bei Drücken von etwa 2.000 Atmosphären auf, was beim größten der Eisriesen einer Tiefe von etwa 70 km entspricht. Die Eisschicht II ist etwa 100 km dick. Die Druckniveaus in den Zentren der eisigen Riesenmonde erreichen schließlich das Äquivalent von 20.000 bis 40.000 Erdatmosphären.
Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), der Kyushu University in Japan und des U.S. Geological Survey führten im Experimental Geophysics Laboratory des LLNL Kriechexperimente mit einem Niedertemperatur-Testgerät durch. Anschließend beobachteten und maßen sie die Eis-II-Korngröße unter Verwendung eines kryogenen Rasterelektronenmikroskops. Die Gruppe fand einen Kriechmechanismus, der das Fließen bei geringeren Spannungen und feineren Korngrößen dominiert. Frühere Experimente bei höheren Spannungen und größerer Korngröße aktivierten Fließmechanismen, die nicht von der Korngröße abhingen.
Die Experimentatoren konnten nachweisen, dass der neue Kriechmechanismus tatsächlich mit der Größe der Eiskörner zusammenhängt, was bisher nur theoretisch untersucht worden war.
Aber die Messung war keine leichte Aufgabe. Zuerst mussten sie Eis II mit sehr feiner Körnung herstellen (weniger als 10 Mikrometer oder ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares). Eine Technik des schnellen zyklischen Drucks über und unter 2.000 Atmosphären hat schließlich den Zweck erfüllt. Darüber hinaus hielt das Team einen sehr konstanten Druck von 2.000 Atmosphären in der Testvorrichtung aufrecht, um wochenlang ein spannungsarmes Verformungsexperiment durchzuführen. Um schließlich die Eis-II-Körner abzugrenzen und im Rasterelektronenmikroskop sichtbar zu machen, entwickelte das Team eine Methode zur Markierung der Korngrenzen mit der üblichen Form von Eis („Eis I“), die im Mikroskop anders als Eis II erschien . Nachdem die Grenzen identifiziert waren, konnte das Team die Korngröße von ice II messen.
„Diese neuen Ergebnisse zeigen, dass die Viskosität eines tiefen Eismantels viel niedriger ist, als wir bisher dachten“, sagte William Durham, Geophysiker im Energy and Environment Directorate von Livermore.
Durham sagte, dass das qualitativ hochwertige Verhalten der Testapparatur bei einem Druck von 2.000 Atmosphären, die Zusammenarbeit mit Tomoaki Kubo von der Kyushu University und der Erfolg bei der Bewältigung schwerwiegender technischer Herausforderungen ein zufälliges Experiment darstellten.
Aus den neuen Ergebnissen schließen die Forscher, dass sich das Eis wahrscheinlich durch den korngrößenempfindlichen Kriechmechanismus im Inneren von Eismonden verformt, wenn die Körner bis zu einem Zentimeter groß sind.
„Dieser neu entdeckte Kriechmechanismus wird unser Denken über die thermische Entwicklung und die interne Dynamik mittelgroßer und großer Monde der äußeren Planeten in unserem Sonnensystem verändern“, sagte Durham. „Die thermische Entwicklung dieser Monde kann uns helfen zu erklären, was im frühen Sonnensystem geschah.“
Die Forschung erscheint in der Ausgabe vom 3. März der Zeitschrift Science.
Das 1952 gegründete Lawrence Livermore National Laboratory hat es sich zur Aufgabe gemacht, die nationale Sicherheit zu gewährleisten und Wissenschaft und Technologie auf die wichtigen Themen unserer Zeit anzuwenden. Das Lawrence Livermore National Laboratory wird von der University of California für die National Nuclear Security Administration des US-Energieministeriums verwaltet.
Originalquelle: LLNL-Pressemitteilung