Bahndynamische Entwicklung natürlicher Satellitensysteme im äußeren Sonnensystem
Final Report Abstract
Die langzeitliche Bahnentwicklung von Monden des Sonnensystems ist eng mit wechselseitigen Gezeitenkräften verknüpft, die der Satellit und der Planet aufeinander ausüben. Durch Gezeitendeformationen werden Drehmomente auf den Satelliten übertragen, die die Bahn des Satelliten auf der Zeitskala von Mrd. Jahren verändern. Zusätzlich wird durch eine langsame Abbremsung der Rotation des Planeten Bahnenergie auf den Satelliten übertragen. Insbesondere bei Jupiter aber auch bei den übrigen Riesenplaneten hat dieses zum Teil dramatische Auswirkungen auf die innere Wärmeentwicklung und die thermische Evolution der Monde. Der Vulkanismus des Jupitermondes lo und die vermutete Existenz eines Ozeans im Innern von Europa, einem weiteren Jupitermond, basieren auf Gezeitenwechselwirkungen. In Systemen von Monden, wie z.B. dem Jupitersystem, spielen zudem gravitative Kopplungen (Resonanzen) der Monde eine zentrale Rolle. Diese sorgen dafür, dass die Exzentrizitäten der Bahnen auch über lange Zeiträume aufrechterhalten werden, eine entscheidende Voraussetzung für das langzeitliche Wirken von Gezeiten. Im Projekt wurde die Wechselwirkung zwischen Gezeiten, Bahnentwicklung, gravitativen Bahnkopplungen, innerem Aufbau und thermischer Evolution von Monden mit Hilfe von Modellrechnungen untersucht. Die Bedeutung von Gezeitenreibung als Wärmequelle im äußeren Sonnensystem wurde für spezielle Objekte herausgearbeitet. Im ersten Teil des Projekts stand die Modellierung des inneren Aufbaus von den Eismonden im äußeren Sonnensystem im Vordergrund. Insbesondere wurde die Frage nach der möglichen Existenz von Wasserozeanen im Innern dieser Objekte näher untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass unter bestimmten Voraussetzungen, wie z.B. Differentiation, und ein zu erwartender geringer Prozentsatz an volatilen Komponenten, wie Ammoniak, Ozeane nicht nur in den großen Eismonden, Ganymed, Kallisto, Titan und Europa existieren können sondern auch für etwas kleinere Objekte wie Triton, Pluto und die größten Uranusmonde, Titania und Oberon, denkbar sind. Aufgrund der Entdeckung mehrerer großer Kuiperbelt-Objekte jenseits der Bahn des Neptun wurde die Untersuchung auch auf diese Klasse, die ähnliche Objekte wie Triton und das Pluto-Charon System umfasst, ausgedehnt. Auch hier können bei den größten Trans-Neptunischen Objekten, wie z.B. Eris, Bedingungen herrschen, die Ozeane ermöglichen. Messungen und Bilddaten der Raumsonde Cassini zeigten 2005 enorme Ausbrüche an Wasserdampf und Eispartikeln auf dem Eismond Enceladus, die bisher einzigartig im Sonnensystem sind. Die Möglichkeit der Gezeitenreibung als antreibende Wärmequelle wurde auch hier naher untersucht. Es zeigt sich, dass beim Vorhandensein eines Ozeans die Wärmeentwicklung in der äußeren Eisschicht von Enceladus mit den Messungen im Einklang ist. Ein vollständig fester Körper weist deutlich geringere Gezeitendeformationen auf und liefert zu geringe Wärmeerzeugungsraten. Ob ein globaler Ozean, der für einen solch kleinen Eismond wie Enceladus eigentlich nicht zu erwarten wäre, vorliegt oder auch einzelne flüssige Einschlüsse innerhalb der Eisschicht die Aktivität dieses Mondes erklären können wird gegenwärtig diskutiert. Im Fall von Titan, dem größten Saturnmond wurde die Gezeitenevolution und deren Auswirkung auf die 4:3 Resonanz von Titan und Hyperion, einem deutlich kleineren Mond des Saturn, im Modell untersucht. Es zeigt sich, dass die heutigen Eigenschaften der Resonanz mit der Gezeitenevolution Titans verträglich sind, vorausgesetzt die Dissipationsraten in Saturn sind relativ hoch. Das Szenario liefert zudem einen Erklärungsansatz für die ungewöhnlich hohe Exzentrizität der Bahn Titans.
Publications
- 2005. Could there be life in the Jovian system? german research, 3/2005, p. 8 - 11
Spohn, T., F. Sohl, and H. Hussmann
- 2005. Leben auf Io, Europa, Ganymed und Kallisto? forschung. Das Magazin der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 2/2005, p. 8-11
Spohn, T., F. Sohl, and H. Hussmann
- 2005. Titan. Uma lua parecida com a Terra. Ciencia Hoje, 12/2005
Hussmann H.
- 2006. Subsurface oceans and deep interiors of outer planet satellites and large Trans-Neptunian Objects. Icarus 185, 258 - 273
Hussmann, H., F. Sohl and T. Spohn
- 2007. Degree-one convection and the origin of Enceladus' dichotomy. Icarus
Grott, M., F. Sohl, and H. Hussmann
(See online at https://doi.org/10.1016/j.icarus.2007.05.001)
