Fragen Sie Ethan: Woher kommt flüssiges Wasser auf gefrorenen Planeten?

Das hohe Reflexionsvermögen der Oberfläche des Eismondes des Saturn, Enceladus , weist auf das Vorhandensein einer großen Anzahl von sich ständig erneuerndem Eis hin, das bei keinem anderen Mond im Sonnensystem beobachtet wird

Das Sonnensystem überrascht uns immer wieder und vielleicht war eine der größten Überraschungen die Tatsache, dass die Erde nicht die einzige Welt ist, auf deren Oberfläche sich flüssiges Wasser befindet. Ja, natürlich erscheint manchmal ein wenig Wasser auf dem Mars, aber Welten wie der Mond des Jupiter Europa, der Mond des Saturn Enceladus und sogar das ferne Pluto besitzen riesige unterirdische Ozeane, und auf einigen dieser Welten gibt es noch mehr Wasser als auf der Erde. Im Gegensatz zur Erde oder sogar zum Mars sind diese Welten jedoch so weit von der Sonne entfernt und dort so kalt, dass selbst die höchsten Temperaturen an der Oberfläche den Schmelzpunkt des Eises nicht erreichen. Wie wird flüssiges Wasser darauf gespeichert? Genau das möchte unser Leser wissen:

Ich habe über den Mond des Saturn Enceladus gelesen und dass Wissenschaftler glauben, dass unter seiner Eiskruste Ozeane mit flüssigem Wasser existieren. Ich habe jedoch auch gelesen, dass die maximale Oberflächentemperatur -90 ° C beträgt. Wie kann dieser Mond flüssiges Wasser haben? Bei so niedrigen Temperaturen und Drücken sollte Enceladus nur Wassereis und Dampf haben, aber kein Wasser.

Beginnen wir damit, wie sich das Wasser auf unserer Erde verhält.


Wasser in drei Zuständen: flüssig, fest (Eis) und gasförmig (unsichtbarer Wasserdampf in der Luft). Wolken sind eine Ansammlung von Wassertröpfchen, die aus in Luft gesättigtem Dampf kondensiert sind.

Auf der Erde kann Wasser in drei Zuständen existieren: fest, flüssig und gasförmig, abhängig von der Temperatur. Unter 0 ° C gefriert das Wasser und verwandelt sich in Eis; über diesem Punkt und unter 100 ° C flüssiges Wasser; oberhalb von 100 ° C liegt Wasser in Form von gasförmigem Dampf vor. So werden wir in der Schule unterrichtet, und zum größten Teil ist dies wahr. Es gibt jedoch einige Bedingungen, unter denen sich Wasser sehr unterschiedlich verhalten kann. Wenn Sie beispielsweise in großer Höhe leben, beispielsweise in Bogota (Kolumbien), Quito (Ecuador), El Alto (Bolivien) - und in jeder dieser Städte mehr als eine Million Menschen leben -, kocht Ihr Wasser bei einer viel niedrigeren Temperatur .


Phasendiagramm von Wasser, das verschiedene Arten von Eis, flüssigen und gasförmigen Zuständen und die Bedingungen anzeigt, unter denen sie auftreten. Beachten Sie, dass unter -22 ° C bei keinem Druck flüssiges Wasser vorhanden sein kann

Dies liegt daran, dass der Druck sowohl den Siedepunkt als auch den Gefrierpunkt beeinflusst. In den Tiefen des Weltraums kann flüssiges Wasser ohne Atmosphäre nicht existieren. es kann entweder in festen oder in gasförmigen Phasen vorliegen. Aber auf der Erde kocht Wasser unter vermindertem Druck bei verminderter Temperatur, und wenn ein ausreichend hoher Druck ausgeübt wird, schmilzt das Eis und wird flüssig. Die letztere Tatsache überrascht die Leute oft, bis Sie sie bitten, sich an Skates zu erinnern. Ohne Schlittschuhe ist es sehr rutschig und es ist schwierig für Sie, Ihre Bewegungen zu kontrollieren oder Reibung zu erreichen. Ihre Schuhe gleiten über die gefrorene Oberfläche des Eises. Bei Schlittschuhen konzentriert sich der gesamte Druck Ihres Gewichts auf die Klinge, wodurch der Druck auf das Eis erhöht wird und es vorübergehend schmilzt.


Skater hinterlassen Spuren auf dem Eis, weil ihre Skates, die über die Oberfläche gleiten, genug Druck ausüben, um Eis in Wasser zu verwandeln

Es lohnt sich, eine weitere Tatsache zu berücksichtigen: Der Gefrierpunkt von Wasser hängt davon ab, was darin gelöst ist. Wenn Sie jemals Wodka in einen Gefrierschrank stellen, wissen Sie, dass eine Mischung aus Wasser und 40% Alkohol bei der Gefriertemperatur von Wasser nicht gefriert, sondern eine viel niedrigere Temperatur benötigt. Unser Ozean mit darin gelöstem Salz hat im Vergleich zu reinem Wasser auch einen niedrigeren Gefrierpunkt: etwa -2 ° C bei etwa 4% Salzgehalt. Daher können Sie die Temperatur unter das Gefrieren von Wasser senken und trotzdem bei flüssigem Wasser bleiben - je nachdem, was sich sonst noch darin befindet. Dies ist eines der erstaunlichsten Merkmale des Mars, wo reines flüssiges Wasser überhaupt nicht existieren sollte.


Wasserströme an solchen Hängen - am Südhang des Kraters am Grund des Melass Canyon - wachsen zuerst allmählich und verschwinden dann und füllen sich mit Staub aus der Marslandschaft. Es ist bekannt, dass sie das Ergebnis von Strömen von flüssigem Salzwasser sind.

Bei den Drücken und Temperaturen auf der Marsoberfläche sollte physikalisch kein flüssiges Wasser vorhanden sein. Aufgrund des hohen Salzgehalts in einigen Arten von Marsböden kann jedoch Wasser, das an der Oberfläche kondensiert, in der flüssigen Phase vorhanden sein. Wasserflüsse an den Hängen der Kraterwände waren der erste direkte Beweis für das Vorhandensein von flüssigem Wasser außerhalb der Erde.

Wenn Sie jedoch noch weiter in das Sonnensystem hineinschauen, sehen Sie sich Welten wie Europa, Enceladus oder sogar Pluto an - dort finden wir kein Wasser an der Oberfläche.


Europa, einer der größten Monde des Sonnensystems, umkreist den Jupiter. Unter seiner gefrorenen Eisoberfläche befindet sich ein flüssiger Ozean, der von den Gezeitenkräften des Jupiter erwärmt wird

Eine genaue Untersuchung dieser Welten zeigt nur Eis. Ja, dies ist Wassereis, was uns Hoffnung gibt, aber die Temperaturen auf diesen Welten, die sich mehrmals weiter als die Erde von der Sonne entfernt befinden, nähern sich nicht nur niemals dem 0 ° C-Indikator an, der für das Auftreten von flüssigem Wasser auf der Erdoberfläche erforderlich ist. Aber sie kommen niemals an die Temperatur heran, bei der flüssiges Wasser bei jedem Druck vorhanden sein könnte. Und doch, wenn wir auf diesen Welten tiefer unter die Oberfläche des Eises gehen, werden wir näher daran heranrücken, denn unter all diesem Eis herrscht enormer Druck.


Pluto und Charon in bearbeiteter Farbe; Bilder wurden von der Kamera der interplanetaren Station New Horizons erhalten . Plutos gefrorene Oberfläche ist nicht alles; In großen Tiefen hat es einen unterirdischen Ozean aus flüssigem Wasser.

Es braucht eine 100 km dicke Atmosphäre, um den atmosphärischen Druck zu erzeugen, den wir auf Meereshöhe spüren. Um diesen Druck zu verdoppeln, benötigen Sie jedoch nur 10 Meter Wasser. Auf einer anderen Welt kann Eis leicht eine Dicke von Tausenden von Metern erreichen und einen enormen Druck erzeugen, der uns der flüssigen Phase des Wassers näher bringt. Aber selbst wenn das Eis Salze enthält, erscheint flüssiges Wasser ohne einen weiteren zusätzlichen Faktor nicht: eine Wärmequelle. Glücklicherweise hat jede dieser Welten eine Wärmequelle: einen nahe gelegenen massiven Begleitplaneten.


"Sputnik Plain" auf Pluto. Geologische Merkmale, die von der New Horizons Station identifiziert wurden, weisen auf das Vorhandensein eines unterirdischen Ozeans unter der riesigen und tiefen Eiskruste auf der Oberfläche von Pluto hin, die sich über den gesamten Zwergplaneten erstreckt.

Europa hat Jupiter, Enceladus hat Saturn. Pluto hat den Mond Charon. All diese Dreifaltigkeit, die eine große Masse und einen relativ nahen Ort kombiniert, hat einen sehr schwerwiegenden Gezeiteneffekt auf diese Welten. Und diese Kräfte führen nicht nur zu kleinen Verformungen der äußeren Schichten - sie dehnen, komprimieren und spalten die Innenräume dieser Welten, wodurch sie sich erwärmen. Wenn wir die Menge der Gezeitenwärme berücksichtigen und den Druck hinzufügen, den das Eis und das Salz unter den äußeren Eisschichten ausüben, können wir das gewünschte erhalten: einen flüssigen Ozean unter der Eisoberfläche.


Die Gezeitenkräfte, die auf den Mond des Saturn Enceladus wirken, reichen aus, um die Eiskruste zu brechen und das Innere zu erwärmen, wodurch der unterirdische Ozean Wasser in den Weltraum spuckt, der Hunderte von Kilometern hoch ist

Europa weist große Risse an der Oberfläche auf, ein Beweis für jene Momente, in denen dort Eis brach und Wasser an der Oberfläche erschien. Der unterirdische Ozean von Enceladus ist das spektakulärste, flüssigste Wasser, das aus ihm austritt und Hunderte von Kilometern über der Oberfläche in den Weltraum steigt. Diese Wassersäulen von Enceladus sind so stark, dass sie für die Bildung eines der Ringe des Saturn verantwortlich sind - des E-Rings . Schließlich gibt es unter der gefrorenen Oberfläche von Pluto, die sich als eine der unerwartetsten Überraschungen herausgestellt haben könnte, einen flüssigen Ozean aus Wasser. Und wenn es Wasser, Wärme und gelöste chemische Verbindungen gibt, dann ist es durchaus möglich - wenn auch bisher nur hypothetisch -, dass man unter der Oberfläche dieser Welten etwas Interessanteres als einfaches Wasser findet.


Illustration der Innenseiten des Mondes von Saturn Enceladus, die den globalen flüssigen Ozean des Wassers zeigt, der sich zwischen dem felsigen Kern und der Eiskruste befindet. Die Dicke der Schichten ist nicht maßstabsgetreu.

Könnte es ein Leben in einer Welt geben, in der das Sonnenlicht niemals einen flüssigen Ozean erreicht, der als Zuhause für dieses Leben dienen kann? Es ist möglich, und diese Hypothese könnte möglicherweise zuerst an Enceladus getestet werden. Das Vorhandensein von Geysiren ermöglicht es dem Sonnenlicht, einige der biochemischen Moleküle zu katalysieren, die Leben entstehen lassen können, bevor sie wieder auf die eisige Oberfläche des Mondes fallen. Für eine ausreichend lange Zeit kann sich genug Eis über ihnen ansammeln, so dass der Druck das Eis zum Schmelzen bringt - und dieser Prozess kann im Prinzip einen langfristigen Zyklus des Auftretens des Lebens auf dieser Welt erzeugen. Und um das herauszufinden, müssen wir diese Welt nicht graben oder eine Sonde in große Tiefe hineinstecken - wir müssen nur ein Raumschiff an einem der Geysire von Enceladus vorbei schicken und eine Probe daraus entnehmen. Kann das Leben außerhalb der Erde für uns im Sonnensystem so leicht zugänglich sein? Wenn wir Glück haben, werden wir es vielleicht eines Tages herausfinden.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).

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