Jupiters eisiger Mond Callisto. Bildnachweis: NASA Zum Vergrößern anklicken
Während Wissenschaftler mehr über unser Sonnensystem erfahren, haben sie in ungewöhnlichen Situationen Wassereis gefunden. Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory haben diese Art von Eis in ihrem Labor nachgebildet. Eis, das wahrscheinlich die Bedingungen von Druck, Temperatur, Stress und Korngröße dieser Monde nachahmt. Dieses Eis kann langsam kriechen und herumwirbeln, abhängig von der Temperatur im Inneren der Monde.
Das alltägliche Eis, mit dem Sie Ihr Glas Limonade kühlen, hat den Forschern geholfen, die innere Struktur eisiger Monde in den Fernen des Sonnensystems besser zu verstehen.
Ein Forscherteam hat eine neue Art des „Kriechens“ oder Fließens in einer Hochdruckform von Eis demonstriert, indem es in einem Labor die Bedingungen für Druck, Temperatur, Spannung und Korngröße geschaffen hat, die denen in den tiefen Innenräumen von großen nachahmen eisige Monde.
Hochdruckphasen des Eises sind Hauptbestandteile der riesigen eisigen Monde des äußeren Sonnensystems: Jupiters Ganymed und Callisto, Saturns Titan und Neptuns Triton. Triton ist ungefähr so groß wie unser eigener Mond; Die anderen drei Riesen haben einen etwa 1,5-mal größeren Durchmesser. Die anerkannte Theorie besagt, dass die meisten eisigen Monde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren als „schmutzige Schneebälle“ aus der Staubwolke um die Sonne (den Sonnennebel) kondensiert sind. Die Monde wurden intern durch diesen Akkretionsprozess und durch den radioaktiven Zerfall ihrer felsigen Fraktion erwärmt.
Der konvektive Eisfluss (ähnlich wie die Wirbel in einer heißen Tasse Kaffee) in den Innenräumen der eisigen Monde kontrollierte ihre spätere Entwicklung und heutige Struktur. Je schwächer das Eis, desto effizienter die Konvektion und desto kühler die Innenräume. Umgekehrt, je stärker das Eis, desto wärmer die Innenräume und desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass so etwas wie ein flüssiger innerer Ozean auftritt.
Die neue Forschung zeigt in einer der Hochdruckphasen des Eises („Eis II“) einen Kriechmechanismus, der durch die Kristallit- oder „Korngröße“ des Eises beeinflusst wird. Dieser Befund impliziert eine deutlich schwächere Eisschicht in den Monden als bisher angenommen. Ice II tritt erstmals bei Drücken von etwa 2.000 Atmosphären auf, was einer Tiefe von etwa 70 km im größten der eisigen Riesen entspricht. Die Eis-II-Schicht ist ungefähr 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 US Geological Survey führten im Experimental Geophysics Laboratory am LLNL Kriechexperimente mit einem Niedertemperatur-Testgerät durch. Anschließend beobachteten und maßen sie die Korngröße von Eis II unter Verwendung eines kryogenen Rasterelektronenmikroskops. Die Gruppe fand einen Kriechmechanismus, der die Strömung bei geringeren Spannungen und feineren Korngrößen dominiert. Frühere Experimente bei höheren Spannungen und größeren Korngrößen 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 Korngröße erzeugen (weniger als 10 Mikrometer oder ein Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares). Eine Technik des schnellen Druckwechsels über und unter 2.000 Atmosphären hat schließlich den Trick getan. Darüber hinaus hielt das Team einen sehr konstanten Druck von 2.000 Atmosphären in der Testapparatur aufrecht, um wochenlang ein Verformungsexperiment mit geringer Spannung durchzuführen. Um 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 sich im Mikroskop von Eis II unterschied . Sobald die Grenzen identifiziert waren, konnte das Team die Korngröße von Eis II messen.
"Diese neuen Ergebnisse zeigen, dass die Viskosität eines tiefen Eismantels viel niedriger ist als bisher angenommen", sagte William Durham, Geophysiker in Livermores Direktion für Energie und Umwelt.
Durham sagte, dass das hochwertige Verhalten des Testgeräts bei einem Druck von 2.000 Atmosphären, die Zusammenarbeit mit Tomoaki Kubo von der Kyushu-Universität und der Erfolg bei der Überwindung schwerwiegender technischer Herausforderungen für ein zufälliges Experiment sorgten.
Unter Verwendung der neuen Ergebnisse schließen die Forscher, dass es wahrscheinlich ist, dass sich das Eis durch den korngrößenempfindlichen Kriechmechanismus im Inneren von eisigen Monden verformt, wenn die Körner bis zu einem Zentimeter groß sind.
"Dieser neu entdeckte Kriechmechanismus wird unser Denken über die thermische Entwicklung und die innere 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 3. März Ausgabe der Zeitschrift Science.
Das 1952 gegründete Lawrence Livermore National Laboratory hat die Aufgabe, 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
