NASA Juno: Europas Eiskruste ist rund 29 Kilometer dick

NASAs Raumsonde Juno hat die ersten direkten Messungen des Eispanzers geliefert, der den Jupitermond Europa bedeckt, und schätzt die Dicke der Kruste auf etwa 18 Meilen (29 Kilometer). Diese bedeutende Erkenntnis, die kürzlich in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, nutzt Daten von Junos Vorbeiflug im Jahr 2022, um eine langjährige wissenschaftliche Debatte über die Struktur des Mondes zu klären. Durch den Blick unter die gefrorene Oberfläche mit fortschrittlicher Mikrowellentechnologie haben Forscher festgestellt, dass Europa eine gewaltige, starre äußere Hülle besitzt, die auf einem riesigen unterirdischen flüssigen Ozean ruht, was unser Verständnis der potenziellen Habitabilität des Mondes grundlegend verändert.

Warum ist die Dicke von Europas Eispanzer wichtig für die Habitabilität?

Die Dicke von Europas Eispanzer ist entscheidend für die Habitabilität, da sie die Effizienz des Nährstoff- und Sauerstofftransports von der Oberfläche zum unterirdischen Ozean bestimmt. Eine 18 Meilen dicke Kruste fungiert als bedeutende thermische und physikalische Barriere, die potenziell den chemischen Austausch einschränkt, der zur Erhaltung von Leben erforderlich ist. Während eine dünnere Hülle eine leichtere Verbindung ermöglichen würde, deutet ein dickeres Modell darauf hin, dass lebenserhaltende Prozesse eher auf spezifische geologische Kanäle wie Risse oder poröse Hohlräume angewiesen sind als auf direkten Oberflächenkontakt.

Das wissenschaftliche Interesse an Europa rührt weitgehend von der Hypothese „dicke Hülle“ gegenüber „dünner Hülle“ her. Jahrzehntelang stritten Planetenforscher darüber, ob das Eis nur wenige Meilen dick oder eine massive tektonische Platte sei. Die Juno-Daten stützen Letzteres, was impliziert, dass die interne Umgebung des Mondes isolierter ist als bisher erhofft. Diese Isolation bedeutet, dass jegliche biologische Aktivität im Ozean von chemischer Energie abhängen würde, die durch hydrothermale Aktivität am Meeresboden oder den seltenen vertikalen Transport von Oxidationsmitteln durch die dicke Eisdecke erzeugt wird.

Die thermische Regulierung innerhalb des unterirdischen Ozeans wird ebenfalls durch diesen Eisdeckel diktiert. Eine 30 Kilometer dicke Hülle bietet eine immense Isolierung und fängt die innere Wärme ein, die durch das gravitative „Verkneten“ der massiven Gezeitenkräfte von Jupiter erzeugt wird. Diese Gezeitenheizung hält das Wasser in flüssigem Zustand, aber die schiere Tiefe des Eises verkompliziert die „Förderband-Theorie“, bei der Oberflächeneis absinkt und sauerstoffhaltiges Material in die darunter liegende Sole transportiert. Das Verständnis dieser Dynamik ist das primäre Ziel für Forscher an Institutionen wie dem NASA Jet Propulsion Laboratory und dem Southwest Research Institute.

Was verrät Junos Mikrowellenradiometer über Europa?

Die Daten von Junos Mikrowellenradiometer (MWR) zeigen, dass Europas Eispanzer aus einer kalten, starren äußeren Schicht mit einer Dicke von etwa 18 Meilen besteht, die durch interne Unregelmäßigkeiten gekennzeichnet ist. Das Instrument detektierte Mikrowellenstreuung, die konsistent mit kleinen Rissen, Poren oder Hohlräumen von wenigen Zentimetern Durchmesser ist, die sich hunderte Meter tief in die Kruste erstrecken. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Eis kein einheitlicher Block ist, sondern eine komplexe geologische Struktur, die durch intensive thermische und mechanische Belastungen geformt wurde.

Das Mikrowellenradiometer (MWR) ist in der Lage, durch festes Eis zu „sehen“, indem es thermische Emissionen über sechs verschiedene Frequenzen misst. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras, die nur Oberflächenreflexionen einfangen, erkennt das MWR die Wärme, die aus verschiedenen Tiefen innerhalb des Eises entweicht. Durch die Analyse dieser verschiedenen Wellenlängen kann das Juno-Team ein vertikales Profil der Temperatur und Struktur des Eises erstellen und so effektiv einen „CT-Scan“ eines Himmelskörpers aus tausenden Meilen Entfernung durchführen.

Wichtige Erkenntnisse aus der MWR-Analyse umfassen die folgenden strukturellen Details:

• Thermischer Gradient: Die Daten deuten auf einen starken Temperaturunterschied zwischen der eiskalten Oberfläche und dem wärmeren Eis tiefer innerhalb der Hülle hin.
• Streuzentren: Winzige Hohlräume und Brüche, wahrscheinlich verursacht durch Gezeitenheizung, sind in den oberen Schichten weit verbreitet.
• Leitfähigkeitsvariationen: Unterschiede in den Mikrowellensignalen deuten auf das Vorhandensein von Salzen oder „Sole-Taschen“ hin, die in der Eismatrix eingeschlossen sind.
• Starrheit der Kruste: Die Messungen bestätigen, dass die obere Schicht extrem steif und kalt ist und dem Fließen des wärmeren Eises darunter widersteht.

Wie wirken sich diese Juno-Daten auf die bevorstehende Europa-Clipper-Mission aus?

Junos Daten über den 18 Meilen dicken Eispanzer liefern entscheidende Rahmenbedingungen für die bevorstehende Europa-Clipper-Mission und ermöglichen es Wissenschaftlern, ihre Radarsondierungsstrategien und Instrumentenziele zu verfeinern. Durch die Etablierung eines Basiswerts für die Krustentiefe kann die NASA das REASON-Instrument der Clipper-Sonde besser kalibrieren, um das Eis zu durchdringen und nach Taschen mit flüssigem Wasser zu suchen. Diese Synergie stellt sicher, dass die Ankunft der Clipper-Sonde im Jahr 2030 für die spezifische geologische Realität von Europa optimiert wird.

Die Vorbereitung auf die Europa-Clipper-Mission beinhaltet die Identifizierung der vielversprechendsten Gebiete für Untersuchungen, wie etwa Regionen, in denen das Eis dünner oder aktiver sein könnte. Die Juno-Erkenntnisse fungieren als Erkundungsbericht und heben das „Chaos-Terrain“ hervor – Regionen mit zerbrochenem, verschobenem Eis –, das als Fenster in den unterirdischen Ozean dienen könnte. Wissenschaftler werden diese Gebiete nun für hochauflösende Bildgebung und spektroskopische Analysen priorisieren, um organische Verbindungen oder Anzeichen von austretenden Fontänen (Plumes) aufzuspüren.

Darüber hinaus hat der Erfolg der Juno-Mission mit dem MWR den Wert der Multiwellenlängen-Sensorik im Jupitersystem demonstriert. Dies hat direkte Auswirkungen auf die JUICE-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), die ebenfalls auf dem Weg ist, um die Jupitermonde zu untersuchen. Durch den Abgleich von Junos Mikrowellendaten mit zukünftigen Radar- und Gravitationsmessungen kann die globale wissenschaftliche Gemeinschaft ein hochpräzises 3D-Modell von Europa erstellen, das uns der Antwort näher bringt, ob diese eisige Welt außerirdisches Leben beherbergen könnte.

Geologische Aktivität und die Entwicklung von Chaos-Terrain

Gezeitenheizung bleibt der primäre Motor, der die Entwicklung der Oberfläche von Europa und ihrer 18 Meilen dicken Hülle vorantreibt. Da Europa Jupiter auf einer elliptischen Bahn umkreist, wird der Mond durch die immense Schwerkraft des Planeten gedehnt und gestaucht, was Reibung und Wärme im Eis erzeugt. Dieser Prozess ist verantwortlich für die Bildung von „Chaos-Terrain“, in dem die eisige Oberfläche geschmolzen, in Eisschollen zerbrochen und zu einer ungeordneten Landschaft wieder eingefroren zu sein scheint. Junos Daten deuten darauf hin, dass diese Merkmale wahrscheinlich eher das Ergebnis von Konvektion innerhalb des dicken Eispanzers als von einem Schmelzen bei dünnem Eis sind.

Die Beobachtung von potenziellen Fontänen oder austretendem Wasserdampf erhält mit der Schätzung einer 18 Meilen dicken Kruste ebenfalls einen neuen Kontext. Wenn tatsächlich Wasser an die Oberfläche dringt, muss es durch massive Brüche wandern oder durch intensiven Druck nach oben gepresst werden. Forscher suchen nun in der Juno-Telemetrie nach Hinweisen auf diese Hochdruckkanäle. Falls Fontänen existieren, bieten sie eine „Gratisprobe“ des verborgenen Ozeans und ermöglichen es zukünftigen Raumsonden, durch den Dampf zu fliegen und seine chemische Zusammensetzung zu analysieren, ohne dass eine komplexe Bohr-Mission erforderlich wäre.

Wie geht es mit der Erforschung von Europa weiter?

Während die Juno-Mission ihre verlängerte Lebensdauer fortsetzt, bleibt ihr Fokus auf der komplexen Umgebung des Jupitersystems. Die während des Vorbeiflugs 2022 gesammelten Daten werden noch jahrelang untersucht werden und einen Fahrplan für die nächste Generation von Entdeckern liefern. Das Ziel ist nicht mehr nur, die Existenz eines Ozeans zu bestätigen, sondern die Habitabilität dieser Umgebung zu charakterisieren. Zukünftige Modelle werden die Dicke von 18 Meilen einbeziehen, um Ozeanströmungen, Salzkonzentrationen und das Potenzial für Leben in den dunklen, unter Druck stehenden Tiefen von Europa zu simulieren.