Geringe Schwerkraft auf Ozeanwelten könnte zur Aufrechterhaltung der Warmwasserzirkulation beitragen

Frisch platzierte (seit 2018) Lavahügel (schwarz mit gelber hydrothermaler Mineralfärbung) am Kraterboden von KSM (Jan. 2023). ROV Jason bereitet sich darauf vor, einen Temperatursensor in eine neu entstandene hydrothermale Quelle (gelb gefärbter Bereich, unten rechts) innerhalb der kürzlich ausgebrochenen Laven einzuführen. (©Woods Hole Oceanographic Institution)

In einer neuen Studie unter der Leitung von Teammitgliedern der UC Santa Cruz wurde mithilfe eines komplexen Computermodells untersucht, wie sich der Einfluss geringer Schwerkraft, wie sie auf Ozeanwelten in unserem äußeren Sonnensystem herrscht, auf die Wasser- und Wärmeströme unter ihrem Meeresboden auswirken könnte.

Die Arbeit wurde im Rahmen des multiinstitutionellen NASA-Programms „Exploring Ocean Worlds“ unter der Leitung von Chris German, leitender Wissenschaftler am Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), durchgeführt. Sie hat neues Licht auf die Möglichkeit geworfen, dass hydrothermale Ausbrüche am Meeresboden – die einige der primitivsten Lebensformen der Erde beherbergen – auch auf anderen „Ocean World“-Monden auftreten, die Riesenplaneten im äußeren Sonnensystem umkreisen.

Der Manipulatorarm des ROV Jason verwendet einen isobaren gasdichten (IGT) Probenehmer, um warme (~40 °C) Quellenflüssigkeiten am Kama'ehuakanaloa Seamount (KSM) zu sammeln, Januar 2023. (©Woods Hole Oceanographic Institution)

Unser Sonnensystem enthält viele „Ozeanwelten“, Planeten und Monde, die derzeit oder in der Vergangenheit einen flüssigen Ozean haben. Einige dieser Ozeanwelten können intern genug Wärme freisetzen, um eine hydrothermale Zirkulation anzutreiben – Wasser, das in den Meeresboden fließt, zirkuliert, erwärmt wird und wieder abfließt. Auf der Erde können diese Ströme Wärme und Chemikalien transportieren, von denen einige für die Erhaltung üppiger Ökosysteme am Meeresboden von entscheidender Bedeutung sind. Diese Gesteins-Wärme-Flüssigkeitssysteme wurden in den 1970er Jahren auf dem Meeresboden der Erde entdeckt, und viele Wissenschaftler glauben, dass sie auch anderswo in unserem Sonnensystem existieren könnten – dies ist ein Thema von großem Interesse, insbesondere weil es das Potenzial gibt, Leben zu unterstützen. Das Forschungsteam der UC Santa Cruz hat in Zusammenarbeit mit Kollegen des Blue Marble Space Institute of Science, des WHOI und der Universität Nantes seine neue Studie im Journal of Geophysical Research: Planets veröffentlicht und zeigt, wie sich hydrothermale Systeme wie die auf der Erde unter den Bedingungen geringerer Schwerkraft von anderen Ozeanwelten unterscheiden könnten.

Viele Menschen haben von Hochtemperaturquellen auf dem Meeresboden der Erde gehört, die manchmal als „schwarze Raucher“ bezeichnet werden. Dort strömen Flüssigkeiten, die über 300 °C (viel heißer als der Siedepunkt von Wasser auf Meereshöhe auf der Erde) heiß sind, in den Ozean, lagern Metallerze ab und tragen zur Entstehung exotischen Lebens bei. Während diese Hochtemperatursysteme hauptsächlich durch vulkanische Aktivitäten unter dem Meeresboden angetrieben werden, fließt ein viel größeres Flüssigkeitsvolumen bei niedrigeren Temperaturen in den Meeresboden der Erde hinein und wieder hinaus, was hauptsächlich auf die „Hintergrundkühlung“ des Planeten zurückzuführen ist.

„Der Wasserfluss durch Niedertemperaturentlüftung entspricht hinsichtlich der abgelassenen Wassermenge allen Flüssen und Bächen der Erde und ist für etwa ein Viertel des Wärmeverlusts der Erde verantwortlich“, sagte Andrew Fisher, Hauptautor der Studie und angesehener Professor für Erd- und Planetenwissenschaften (EPS) an der UC Santa Cruz. „Das gesamte Ozeanvolumen wird etwa alle halbe Million Jahre in den Meeresboden hinein und wieder heraus gepumpt.“

„Viele frühere Studien zur hydrothermalen Zirkulation auf Europa und Enceladus (Monde von Jupiter und Saturn) haben Flüssigkeiten mit höheren Temperaturen in Betracht gezogen, und Cartoons und andere Zeichnungen zeigen oft Systeme auf ihren Meeresböden, die wie schwarze Raucher auf der Erde aussehen“, erklärte Donna Blackman, EPS-Forscherin an der UC Santa Cruz und dritte Autorin des neuen Artikels. „Ströme mit niedrigeren Temperaturen treten mindestens genauso wahrscheinlich auf, wenn nicht sogar wahrscheinlicher.“

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Kristin Dickerson, die zweite Autorin des Artikels und Doktorandin im EPS-Programm der UC Santa Cruz, erläuterte die Grundlage der Studie: „Wir haben uns ein Meerwasserzirkulationssystem unter dem Meeresboden der Erde angesehen, das seit Jahren untersucht wird. Es wurde tief im nordwestlichen Pazifik entdeckt, wo kühles Bodenwasser durch einen Tiefseeberg (einen erloschenen Vulkan) einströmt, 50 km zurücklegt und dann durch einen anderen Tiefseeberg abfließt.“ Dieses Wasser nimmt beim Fließen Wärme auf und tritt wärmer aus als beim Einströmen und mit ganz anderer Chemie. Die Forscher verwendeten ein Computermodell, das für dieses Erdsystem entwickelt wurde, änderten den Wert der Schwerkraft und untersuchten, wie sich die Strömungen unter einer Vielzahl von Bedingungen (wie unterschiedlichen Erwärmungsstufen, Gesteinseigenschaften, Tiefe der Flüssigkeitszirkulation) ändern würden.

Der Fluss von einem Tiefseeberg zum anderen wird durch den Auftrieb angetrieben, da die Dichte des Wassers bei Erwärmung abnimmt und bei Abkühlung zunimmt. Dichteunterschiede erzeugen Druckunterschiede im Gestein und das System wird durch die Ströme selbst aufrechterhalten. „Wir nennen das einen hydrothermalen Siphon“, sagte Fisher, „und er kann laufen, solange Wärme zugeführt wird und die Gesteinseigenschaften eine Zirkulation zulassen.“ Einige Ozeanwelten werden durch große Gezeiten erwärmt, die Wärme erzeugen können, wenn eine Ozeanwelt während einer exzentrischen Umlaufbahn um einen Riesenplaneten gebogen wird.

Die neue Studie zeigt, dass bei geringerer Schwerkraft als auf der Erde die Strömung in den und aus dem Meeresboden durch einen geringeren Auftrieb angetrieben wird – dies verlangsamt tendenziell die Wasserzirkulation und führt zu Wärmeverlust. Gleichzeitig führt geringerer Auftrieb bei geringerer Schwerkraft auch zu weniger sekundärer Durchmischung unter dem Meeresboden, einem Prozess, der tendenziell Energie verbraucht und so die Strömung zwischen den Aufschlüssen verringert.

Ein spannendes Ergebnis der in der neuen Abhandlung vorgestellten Simulationen ist, dass bei sehr geringer Schwerkraft (wie sie auf dem Meeresboden von Enceladus, einem kleinen Saturnmond, herrscht) die Zirkulation bei niedrigen bis mittleren Temperaturen Millionen oder Milliarden von Jahren andauern kann – also während der gesamten Lebensdauer des Sonnensystems. Dies könnte helfen zu erklären, wie kleine Ozeanwelten mit viel geringerer Schwerkraft als auf der Erde langlebige Flüssigkeitszirkulationssysteme unter ihrem Meeresboden haben können: Die geringe Effizienz der Wärmeentnahme könnte zu einer beträchtlichen Langlebigkeit führen. Darüber hinaus ergaben einige Simulationen trotz relativ geringer Zirkulation unter dem Meeresboden Temperaturen von bis zu 150 °C an den Austrittsflüssigkeiten, knapp über der Obergrenze für Leben auf der Erde. Insgesamt zeigen diese Simulationen, dass geringe Schwerkraft Temperaturen und Fließraten erheblich verändert und daher wahrscheinlich die Chemie der austretenden Flüssigkeiten im Vergleich zu dem, was auf der Erde vorzufinden wäre, beeinflusst.

Planetenforscher nutzen Beobachtungen von Satellitenmissionen, um herauszufinden, welche Bedingungen auf Ozeanwelten herrschen oder möglich sind. Das Autorenteam des neuen Artikels wird im Herbst dieses Jahres zusammen mit Kollegen, die am Projekt Exploring Ocean Worlds mitarbeiten, beim Start der Raumsonde Europa Clipper in Cape Canaveral, Florida, dabei sein.

Laut German vom WHOI, der auch Co-Autor des Artikels ist, „ist ein wichtiges Ergebnis dieser Studie, dass sie nahelegt, dass hydrothermale Systeme mit niedriger Temperatur (nicht zu heiß für Leben) auf Ozeanwelten außerhalb der Erde über viel längere Zeiträume aufrechterhalten worden sein könnten, als es dauerte, bis sich ähnliches Leben erstmals auf der Erde etablierte. Daher könnten Ozeanwelten im äußeren Sonnensystem ebenfalls bewohnbar sein und vielleicht Leben beherbergen.“