Treibhauseffekt in planetaren Eisschichten

Primäres Ziel dieses Projekts ist es, die Auswirkungen des "Treibhaus-Effekts in Eis", wie er wahrscheinlich auf verschiedenen mit Eis bedeckten Körpern des Sonnensystems auftritt, zu verstehen. Im Gegensatz zu felsigen Oberflächen, wo die Sonnenstrahlung in einer dünnen Oberflächenschicht von wenigen Mikrometern Dicke absorbiert wird, sind Eisoberflächen teilweise durchlässig für die einfallende Sonnenstrahlung. Die Eindringtiefe der Strahlung hängt vor allem von der Anzahl und Größe der eingelagerten Staub- und Ruß-Teilchen ab, welche die Strahlung effektiv absorbieren. Eine weitere Variante ist die Existenz von stark absorbierenden Schichten innerhalb oder unterhalb des Eises. Ähnlich wie beim klassischen Treibhauseffekt in einer Atmosphäre findet eine Erwärmung der Licht absorbierenden Schichten statt, wobei die emittierte Wärmestrahlung nicht unmittelbar "entkommen" kann, weil die meisten im Sonnensystem vorkommenden Eis-Sorten im IR-Bereich stark absorbieren. Die Absorption unter der Oberfläche führt also zunächst zu einer lokalen Erhöhung der Temperatur. Die hierbei entstehende Wärmeenergie muß über Wärmeleitung entweder in Richtung Oberfläche oder in tiefere Schichten abgeführt werden. Die Bedeutung dieses Effekts für das Verhalten von planetaren Eis-Oberflächen wurde erstmals in einer Arbeit der US-Forscher Brown und Matson (1987) theoretisch untersucht. Die Ergebnisse ihre Modellrechnungen ließen vermuten, daß er für die Energiebilanz an der Oberfläche einiger Monde des Jupiter und anderer Körper des äußeren Sonnensystems von Bedeutung sein könnte. Insbesondere wurde der Treibhauseffekt im Eis auch als mögliche Ursache für aktive Phänomene, etwa kryo-vulkanische Eruptionen auf Eiskörpern wie den Monden des äußeren Sonnensystems und auf Kometenkernen in Betracht gezogen. In den letzen Jahren wurden durch die Raumsonde Galileo eine große Zahl neuer Daten über die Jupitermonde gesammelt. Dies gibt uns heute eine wesentlich breitere Datenbasis als jene die nach dem Vorbeiflug der Voyager- Sonden ab dem Jahr 1979 zur Verfügung stand. Jüngste Beobachtungen der südlichen Polargegend von Mars durch die Sonde Mars Global Surveyor gaben Hinweise auf die Existenz von Regionen, die wahrscheinlich von transparentem CO2-Eis bedeckt sind. Auch in diesen Gebieten dürfte der oben beschriebene Treibhaus-Effekt eine wichtige Rolle für den Energiehaushalt spielen und verursacht möglicherweise eruptive Gasemissionen und Schmelzprozesse unter der Oberfläche. In dem vorliegenden Projekt sollen einige Aspekte des oben beschriebenen Treibhauseffekts in Eis und seine Auswirkungen auf den Energie- und Massenhaushalt untersucht werden. Wir beschränken uns hierbei zunächst auf Körper, deren typischer Temperaturbereich mit der derzeit am Institut für Weltraumforschung vorhandenen Cryo- Vakuum-Anlage (flüssiger Stickstoff als Kühlmittel) hergestellt werden kann. Dies ermöglicht Untersuchungen unter Umgebungsbedingungen, wie sie auf Mars, den Monden des Jupiter- und Saturn-Systems, sowie auf vielen Kometenkernen herrschen. Um Vergleiche zu analogen Phänomenen auf der Erde ziehen zu können, werden parallel zu den geplanten Laborexperimenten Feldversuche auf terrestrischen Gletschern durchgeführt. Hierbei bieten sich als Untersuchungsobjekte insbesondere Gletscher mit eingelagerten dunklen Schichten aus Vulkanasche an, wie sie in einigen vulkanisch aktiven Gebieten in Island vorhanden sind. Zur Interpretation der aus den Labor- und Feld-Experimenten gewonnenen Daten ist die Entwicklung neuer numerischer Modelle zur Beschreibung des Massen- und Energietransports in Eis/Mineral-Gemischen erforderlich, die den direkten Energie-Input infolge des Treibhauseffekts im Eis in adäquater Weise berücksichtigen. Das Projekt soll in Zusammenarbeit mit der Science Institute an der University of Iceland (Reykjavik), dem Institut für Planetologie der Universität Münster, sowie dem Planetary and Space Sciences Research Institute an der Open University (Milton Keynes/England) abgewickelt werden.

Das Hauptthema des Projekts war die experimentelle Untersuchung des sogenannten "Festkörper-Treibhauseffekts" in Eis und sein Einfluss auf die Energiebilanz planetarer Oberflächenschichten, insbesondere auf Körpern mit geringem Atmosphärendruck, wie etwa Mars, die meisten Eismonde im äußeren Sonnensystem und Kometenkerne. Während mehrere theoretische Artikel zu diesem Effekt in früher publizierter Literatur zu finden sind, existieren bisher sehr wenige experimentelle Arbeiten, um die Theorie zu überprüfen und die Bedingungen für ihre Gültigkeit in der Praxis zu testen. Im Rahmen dieses Projekts wurde erstmals durch Laborexperimente bestätigt, dass das von der Theorie vorhergesagte Temperaturmaximum unterhalb einer beleuchteten Eisoberfläche in Laborexperimenten unter Vakuumbedingungen tatsächlich nachweisbar ist. Dies hat zu einer deutlichen Verbesserung unseres Verständnisses der Energiebilanz planetarer Eisoberflächen geführt. Zunächst wurden Experimente mit transparenten Glaskugeln (mit und ohne absorbierende innere Schichten) unter Vakuum durchgeführt, die klar gezeigt haben, dass der Effekt mit unserem experimentellen Aufbau messbar ist. Die Messungen in Eis stellten sich als technisch aufwendiger heraus als ursprünglich erwartet. Dennoch konnte nach mehreren Versuchen, die keine schlüssigen Resultate erbrachten, der gesuchte Effekt bei Bestrahlung von Wassereis mittels eines Sonnensimulators unter Vakuum klar nachgewiesen werden. Jedoch war - im Vergleich zu den Glaskugel-Experimenten - das Temperaturmaximum unter der Oberfläche bei den verwendeten Eis-Proben kleiner und weniger ausgeprägt. Die gemessenen Temperaturprofile konnten mittels eines numerischen Modells mit hinreichender Genauigkeit reproduziert werden. Dennoch lassen die erhaltenen experimentellen Ergebnisse den Schluss zu, dass unter natürlichen Bedingungen (mehr Lichtstreuung und Einschluss von Staubpartikeln im Eis) der Effekt wahrscheinlich eine geringere Rolle spielt als man es von den früher publizierten theoretischen Arbeiten und den Ergebnissen der Glaskugel-Experimente allein erwartet hätte. Ein zweiter Aspekt des Projekts, der sich durch die Möglichkeit der Kooperation mit mehreren internationalen Partnern sehr fruchtbringend entwickelt hat, war die Entwicklung neuartiger Instrumente für die Messung thermischer Parameter und die Erforschung planetarer Eisschichten. Insbesondere das Experiment MUPUS an Bord der ESA Kometenmission ROSETTA hat von den mit Unterstützung unseres Projekts durchgeführten Experimenten profitiert. Andere Experimente dienten der Erforschung einer alternativen Methode, um Eisschichten unter Vakuumbedingungen zu durchdringen, nämlich durch Beheizung einer Sonde. Die durchgeführten Versuche werden in der Zukunft sowohl für terrestrische Anwendungen als auch für mögliche Beteiligungen an planetaren Landesonden von Nutzen sein.