Titans Wettervorhersage

Ein Wis­sen­schaft­ler­team hat Daten des James-Webb-Welt­raum­te­le­skops von NASA/ESA/CSA und des Keck-II-Tele­skops kom­bi­niert, um erst­mals Hin­wei­se auf Wol­ken­kon­vek­ti­on auf dem Saturn­mond Titan in der nörd­li­chen Hemi­sphä­re zu fin­den. Die meis­ten Seen und Mee­re Titans befin­den sich in die­ser Hemi­sphä­re und wer­den wahr­schein­lich durch gele­gent­li­che Methan- und Ethan-Regen­fäl­le gespeist. Webb ent­deck­te außer­dem ein wich­ti­ges koh­len­stoff­hal­ti­ges Mole­kül, das Ein­bli­cke in die che­mi­schen Pro­zes­se in Titans kom­ple­xer Atmo­sphä­re gibt.

Der Saturn­mond Titan ist eine fas­zi­nie­ren­de Welt, ein­ge­hüllt in einen gelb­li­chen, smog­ar­ti­gen Dunst. Ähn­lich wie auf der Erde besteht die Atmo­sphä­re haupt­säch­lich aus Stick­stoff und bie­tet Wet­ter­be­din­gun­gen, dar­un­ter Wol­ken und Regen. Anders als auf der Erde, deren Wet­ter von ver­duns­ten­dem und kon­den­sie­ren­dem Was­ser bestimmt wird, exis­tiert auf dem eisi­gen Titan ein Methankreis­lauf (CH4). Methan ver­duns­tet von der Ober­flä­che und steigt in die Atmo­sphä­re auf, wo es zu Methan­wol­ken kon­den­siert. Gele­gent­lich fällt es als küh­ler, öli­ger Regen auf eine fes­te Ober­flä­che, auf der das Was­ser­eis hart wie Stein ist.

„Titan ist der ein­zi­ge ande­re Ort in unse­rem Son­nen­sys­tem, an dem es ein Wet­ter wie auf der Erde gibt, in dem Sin­ne, dass es auf der Ober­flä­che Wol­ken und Regen gibt“, erklär­te der Haupt­au­tor Conor Nixon vom God­dard Space Flight Cen­ter der NASA in Green­belt, Maryland.

Das Team beob­ach­te­te Titan im Novem­ber 2022 und im Juli 2023 sowohl mit dem Webb-Tele­skop als auch mit einem der bei­den boden­ge­stütz­ten W.M. Keck-Tele­sko­pe. Die­se Beob­ach­tun­gen zeig­ten nicht nur Wol­ken in den mitt­le­ren und hohen nörd­li­chen Brei­ten auf Titan – der Hemi­sphä­re, in der es der­zeit Som­mer herrscht – son­dern auch, dass die­se Wol­ken im Lau­fe der Zeit offen­bar in grö­ße­re Höhen auf­stei­gen. Wäh­rend in frü­he­ren Stu­di­en Wol­ken­kon­vek­ti­on in süd­li­chen Brei­ten beob­ach­tet wur­de, ist dies das ers­te Mal, dass eine sol­che Kon­vek­ti­on im Nor­den nach­ge­wie­sen wur­de. Dies ist inso­fern von Bedeu­tung, als sich die meis­ten Seen und Mee­re des Titan in sei­ner nörd­li­chen Hemi­sphä­re befin­den und die Ver­duns­tung aus Seen eine wich­ti­ge poten­zi­el­le Methan­quel­le darstellt.

Auf der Erde reicht die unters­te Schicht der Atmo­sphä­re, die Tro­po­sphä­re, bis zu einer Höhe von etwa 12 Kilo­me­tern. Auf Titan jedoch, des­sen gerin­ge­re Schwer­kraft eine Aus­deh­nung der Atmo­sphä­ren­schich­ten ermög­licht, erstreckt sich die Tro­po­sphä­re bis zu einer Höhe von etwa 45 Kilo­me­tern. Webb und Keck benutz­ten ver­schie­de­ne Infra­rot­fil­ter, um in unter­schied­li­che Tie­fen der Titan­at­mo­sphä­re vor­zu­drin­gen, wodurch die Astro­no­men die Höhe der Wol­ken abschät­zen konn­ten. Das Wis­sen­schafts­team beob­ach­te­te, dass sich die Wol­ken über einen Zeit­raum von meh­re­ren Tagen in grö­ße­re Höhen zu bewe­gen schie­nen, obwohl sie nicht in der Lage waren, direkt zu sehen, ob es Nie­der­schlä­ge gab.

„Webbs Beob­ach­tun­gen wur­den am Ende des Nord­som­mers auf Titan durch­ge­führt, einer Jah­res­zeit, die wir mit der Cas­si­ni-Huy­gens-Mis­si­on nicht beob­ach­ten konn­ten“, sag­te Tho­mas Cor­net von der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on, ein Co-Autor der Stu­die. „Zusam­men mit boden­ge­stütz­ten Beob­ach­tun­gen lie­fert uns Webb wert­vol­le neue Ein­bli­cke in die Atmo­sphä­re Titans, die wir in Zukunft mit einer mög­li­chen ESA-Mis­si­on zum Saturn­sys­tem hof­fent­lich noch genau­er unter­su­chen können.“

Titans Chemie

Titan ist auf­grund sei­ner kom­ple­xen orga­ni­schen (koh­len­stoff­hal­ti­gen) Che­mie trotz sei­ner eisi­gen Tem­pe­ra­tur von etwa ‑180 Grad Cel­si­us ein Objekt von hohem astro­bio­lo­gi­schem Inter­es­se. Orga­ni­sche Mole­kü­le bil­den die Grund­la­ge allen Lebens auf der Erde, und ihre Unter­su­chung auf einem Pla­ne­ten wie Titan könn­te Wis­sen­schaft­lern hel­fen, die Pro­zes­se zu ver­ste­hen, die zur Ent­ste­hung des Lebens auf der Erde führten.

Der Grund­stoff, der einen Groß­teil der Che­mie des Titans bestimmt, ist Methan. Das Methan in der Titan­at­mo­sphä­re wird durch Son­nen­licht oder ener­gie­rei­che Elek­tro­nen aus der Saturn­ma­gne­to­sphä­re auf­ge­spal­ten und ver­bin­det sich dann wie­der mit ande­ren Mole­kü­len zu Sub­stan­zen wie Ethan (C2H6) und kom­ple­xe­ren koh­len­stoff­hal­ti­gen Molekülen.

Die Daten von Webb lie­fer­ten ein wich­ti­ges feh­len­des Ele­ment für unser Ver­ständ­nis der che­mi­schen Pro­zes­se: den defi­ni­ti­ven Nach­weis des Methyl­ra­di­kals CH3. Die­ses Mole­kül (das „Radi­kal“ genannt wird, weil es ein „frei­es“ Elek­tron hat, das nicht in einer che­mi­schen Bin­dung steckt) bil­det sich, wenn Methan auf­ge­spal­ten wird. Der Nach­weis die­ser Sub­stanz bedeu­tet, dass die Wis­sen­schaft­ler zum ers­ten Mal die Che­mie auf Titan in Akti­on sehen kön­nen und nicht nur die Aus­gangs­stof­fe und die Endprodukte.

„Zum ers­ten Mal kön­nen wir den che­mi­schen Kuchen sehen, wäh­rend er im Ofen auf­geht, und nicht nur die Aus­gangs­zu­ta­ten Mehl und Zucker und den fer­ti­gen Kuchen mit Gla­sur“, so Mit­au­torin Ste­fa­nie Milam vom God­dard Space Flight Center.

Die Zukunft der Titanatmosphäre

Die­se Koh­len­was­ser­stoff­che­mie hat lang­fris­ti­ge Aus­wir­kun­gen auf die Zukunft von Titan. Wenn Methan in der obe­ren Atmo­sphä­re zer­fällt, rekom­bi­niert ein Teil davon zu ande­ren Mole­kü­len, die schließ­lich in der einen oder ande­ren che­mi­schen Form auf Titans Ober­flä­che lan­den, wäh­rend ein Teil Was­ser­stoff aus der Atmo­sphä­re ent­weicht. Infol­ge­des­sen wird das Methan mit der Zeit erschöpft sein, sofern es nicht durch eine Quel­le ersetzt wird. Ein ähn­li­cher Pro­zess fand auf dem Mars statt, wo Was­ser­mo­le­kü­le gespal­ten wur­den und der dar­aus resul­tie­ren­de Was­ser­stoff in den Welt­raum ver­lo­ren ging. Das Ergeb­nis war der tro­cke­ne, wüs­ten­ar­ti­ge Pla­net, den wir heu­te sehen.

„Auf Titan ist Methan ein Ver­brauchs­gut. Es ist mög­lich, dass es über Mil­li­ar­den von Jah­ren stän­dig nach­ge­lie­fert wird und aus der Krus­te und dem Inne­ren her­aus­spru­delt. Andern­falls wird es irgend­wann voll­stän­dig ver­schwun­den sein und Titan wird zu einer weit­ge­hend luft­lee­ren Welt aus Staub und Dünen“, sag­te Nixon.

Die Daten wur­den im Rah­men von Hei­di Ham­mels „Gua­ran­teed Time Obser­va­tions“-Pro­gramm zur Erfor­schung des Son­nen­sys­tems auf­ge­nom­men. Die Ergeb­nis­se wur­den in der Zeit­schrift Natu­re Astro­no­my veröffentlicht.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All geschos­sen wur­de. Im Rah­men eines inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ab­kom­mens hat die ESA den Start des Tele­skops mit der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 durch­ge­führt. In Zusam­men­ar­beit mit ihren Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung der Aria­ne-5-Anpas­sun­gen für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­ser­vices durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te auch den Arbeits­spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50 % des Instru­ments für das mitt­le­re Infra­rot (MIRI) zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um aus natio­nal finan­zier­ten euro­päi­schen Insti­tu­ten (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­tät von Ari­zo­na ent­wi­ckelt und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen der NASA, der ESA und der kana­di­schen Welt­raum­be­hör­de (CSA).

Bild­nach­weis: NASA, ESA, CSA, STScI, Keck-Observatorium

Links

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