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Ganymed hat Wasserdampf in seiner Atmosphäre

Jupitermond ist erster Eismond mit Wasserdampf-Atmosphäre aus sublimiertem Eis

Ganymed
Der Jupitermond Ganymed (vorne) hat eine dünne Wasserdampfatmosphäre aus sublimiertem Eis. © ESA/ Hubble, M. Garlick

Erster Nachweis: Der Jupitermond Ganymed ist zwar eiskalt, dennoch gibt es Wasserdampf in seiner Atmosphäre. Denn wie Forscher jetzt herausgefunden haben, reicht die schwache Sonneneinstrahlung aus, um tagsüber Wassereis von seiner Oberfläche sublimieren zu lassen. Damit ist der größte Mond des Sonnensystems der erste Eismond, bei dem eine solche von Sublimation gespeiste Wasserdampf-Atmosphäre nachgewiesen ist.

Der Jupitermond Ganymed ist in vieler Hinsicht besonders: Mit einem Durchmesser von 5.262 Kilometern ist er der größte Mond im Sonnensystem – er ist sogar größer als der Planet Merkur. Außerdem besitzt er als einziger Trabant ein Dipol-Magnetfeld und erzeugt ungewöhnlich helle, vom Jupiter statt dem Sonnenwind ausgelöste Polarlichter – er ist damit einzigartig im Sonnensystem. Das Innere des Mondes besteht aus einem Eisenkern und einem Mantel, der aus wechselnden Schichten verschiedener Eisarten und Wasser besteht.

UV-Emissionen
Aufnahmen des Hubble-Spektrografen in zwei verschiedenen UV-Wellenlängen. Die Unterschiede gaben Roth und seinem Team den Anlass, nach den Ursachen zu suchen. © NASA, ESA, Lorenz Roth (KTH)

Rätselhafte Diskrepanzen

Jetzt wartet der große Jupitermond mit einer weiteren Besonderheit auf: In seiner Atmosphäre gibt es Wasserdampf. Entdeckt hat dies ein Team um Lorenz Roth von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) in Stockholm mithilfe von Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops aus den letzten 20 Jahren. Dessen Spektrografen haben seit 1998 immer wieder UV-Emissionen kartiert, die von angeregtem Sauerstoff in der dünnen Gashülle des Mondes stammen.

Dabei stießen die Forschenden jedoch auf eine merkwürdige Diskrepanz: Die Intensität der UV-Emissionen änderte sich je nachdem, ob Hubble die nach vorne gerichtete oder hintere Seite von Ganymed anvisierte. Außerdem gab es Unterschiede zwischen zwei verschiedenen Wellenlängen der vom Sauerstoff stammenden Spektralsignaturen. „Diese Werte weichen signifikant von dem für O2 erwarteten ab“, schreiben die Forscher.

Was aber erzeugte dann die abweichenden UV-Emissionen? Um das herauszufinden, analysierten Roth und sein Team noch einmal die Hubble-Daten und versuchten deren Ursprung mithilfe eines Modells zu rekonstruieren.

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Wasserdampf aus sublimiertem Eis

Das Ergebnis: Die Spektraldaten ergeben dann einen Sinn, wenn man ein weiteres Molekül zur Gleichung hinzufügt: Wasser. Aus dem Modell der Wissenschaftler geht hervor, dass sich die Eiskruste von Ganymed trotz der tiefen Temperaturen von minus 125 Grad auf seiner Tagseite gerade genug aufheizt, damit Eis sublimiert und zu Wasserdampf wird. Dieser Wasserdampf ist es dann, der zu bestimmten Zeiten die Abweichungen in den UV-Spektren erzeugt.

„Bisher wurde immer nur der molekulare Sauerstoff beobachtet“, erklärt Roth. „Er entsteht, wenn geladenen Teilchen auf die Eisoberfläche von Ganymed treffen. Der Wasserdampf, den wir jetzt gemessen haben, entsteht dagegen durch Sublimation aus erwärmten Eisflächen.“ Tagsüber dominiert der Wasserdampf die dünne Gashülle von Ganymed und erreicht Dichten von bis zu 1,2 Milliarden Teilchen pro Kubikzentimeter, wie die Forschenden ermittelten. Nachts friert das Wasser wieder aus und nur der zweiatomige Sauerstoff bleibt in der Gashülle.

Wie die UV-Polarlichter von Ganymed die Präsenz von Wasserdanmpf verrieten.© NASA/GSFC

Anders als bei Enceladus und Europa

Damit ist Ganymed auch unter den Eismonden des äußeren Sonnensystems besonders: Zwar geben die Monde Enceladus oder Europa auch Wasserdampf ab, dieser wird aber aktiv durch Risse in der Eiskruste ausgeschleudert. „Unsere Analyse liefert dagegen Belege für eine durch Sublimation erzeugte Atmosphäre auf einem Eismond im äußeren Sonnensystem“, schreiben Roth und seine Kollegen.

Die neuen Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Prozesse auf solchen eisigen Himmelskörpern. Gleichzeitig bieten sie einen Anknüpfungspunkt für die kommende JUICE-Mission der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. In dieser für 2022 geplanten Mission soll eine Raumsonde speziell die Eismonde des Jupiter erkunden. „Unsere Ergebnisse können den JUICE-Teams dabei helfen, ihre Beobachtungspläne zu optimieren“, so Roth. (Nature Astronomy, 2021; doi: 10.1038/s41550-021-01426-9)

Quelle: NASA, ESA

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