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Musterbildung: Eisige Polygone auf Pluto

In Plutos Eiswüste findet sich eine bizarre Landschaft aus gefrorenem Stickstoff. Wärme aus der Tiefe schuf dort kilometergroße Strukturen - ganz ähnlich wie im heißen Erdmantel.
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Minus 240 Grad Celsius misst das Thermometer auf Plutos Sputnik-Ebene. Eine schier endlose Eiswüste, in fahles Dämmerlicht getaucht. Der gefrorene Stickstoff unter den Füßen reicht noch Kilometer in die Tiefe. Eine eingefrorene Welt. Und doch ist Bewegung im Bild.

Das Eis in der Sputnik-Ebene wandert. Wenn auch extrem langsam: einen Zentimeter pro Jahr durch die kilometerdicke Schicht nach oben. Und dann wieder nach unten. Und dann wieder von vorn.

Dass Pluto weit mehr ist als nur ein eiskalter Steinklumpen, haben die hoch aufgelösten Bilder der Raumsonde New Horizons im Jahr 2015 eindrücklich gezeigt. Nicht die Wärme der Sonne treibt diese Prozesse an, sondern der Zerfall radioaktiver Elemente in seinem Kern. Sie liefern eine Restwärme, die die eisige Oberflächenschicht des Zwergplaneten von unten her aufheizt.

Auf der Sputnik-Ebene erzeugt das eine eindrucksvolle Landschaftsform: Schmale Vertiefungen erstrecken sich dort über einige Kilometer, verzweigen sich dann und treffen mit anderen zusammen. Gemeinsam bilden sie eine Struktur, die von oben betrachtet an ein wabenartiges Netz erinnert.

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Plutos Polygone auf der Sputnik-Ebene | Die polygonartigen Strukturen auf Plutos herzförmiger Sputnik-Ebene entstehen wahrscheinlich, wenn sich gewaltige Massen Stickstoffeis umwälzen, angetrieben durch die Restwärme radioaktiver Strahlung im Inneren des Planeten. Die Kanten der 30 bis 40 Kilometer weiten Zellen liegen etwa 80 Meter tiefer. Dort taucht das abgekühlte Stickstoffeis wieder in die Tiefe. Die ständige Bewegung treibt außerdem Wassereisberge mit in die Ritzen zwischen den Polygonen (schwarze Ränder auf dem Bild).

Diese Landschaft hat New Horizons bei ihrem Überflug fotografiert und damit bei Wissenschaftlern für Überraschung gesorgt. Die eisigen Polygone der Wabenstruktur, meinen Forscher, können bei einem Prozess entstanden sein, den man sonst eher mit Wärme in Verbindung bringt: bei Konvektion. Muster, die durch Konvektion erzeugt werden, findet man auch auf der Erde, zum Beispiel bei einem Blick in den Himmel. Dort bilden sich mitunter so genannte Wolkenstraßen, lange Streifen, die sich parallel über den Himmel ziehen.

Wärme bildet eisige Waben

Denn ob es sich um zähflüssiges Magma im Erdmantel, Nudelwasser im Kochtopf, Wasserdampf in den Wolken oder eben gefrorenen Stickstoff handelt, das Grundprinzip der Konvektion ist immer das gleiche: Es braucht eine Flüssigkeit oder ein Gas, das von unten erhitzt und von oben gekühlt wird, und eine Schwerkraft, die nach unten wirkt. Wer mag, kann die Konvektion zu Hause in der Küche visualisieren: Man fülle ein kleines Fläschchen mit etwas Tinte und dann mit heißem Wasser auf. Das stelle man in eine hohe Wanne mit kaltem Wasser und warte. Das heiße Tintenwasser sollte aufsteigen und sich an der Wannenoberfläche sammeln, bis es abkühlt und wieder absinkt. Das ist auch der Weg, den der gefrorene Stickstoff auf Pluto zurücklegt.

Das Auf und Nieder führt dazu, dass sich so genannte Konvektionszellen einstellen, also Bereiche, in deren Zentrum das Material aufsteigt und an deren äußeren Rändern es hinabsinkt. Sie sind auf Pluto bis zu 40 Kilometer im Durchmesser groß. Am Rand der Ebene messen sie eher 10 bis 20 Kilometer. Und dort, wo sie aneinanderstoßen, bilden sich die flachen Rillen, die das Bild der Sputnik-Ebene prägen.

Zwischen 500 000 und einer Million Jahren braucht das Eis, um einmal durch die Konvektionszelle zu reisen. Die Oberfläche des Eismeers ist darum immer "jung" – in plutonischen Maßstäben gemessen. Schlägt dort einmal ein Meteorit ein, sind alle Spuren davon in kürzester Zeit verwischt.

Mit bloßem Auge ist freilich nichts von alledem zu beobachten. Dass dort tatsächlich Konvektion stattfindet, ist darum keineswegs gewiss und hängt von einer alles entscheidenden Frage ab: Kann das warme Material überhaupt schnell genug von unten aufsteigen, bevor es seine Wärme an die kälteren Regionen in seiner Umgebung verliert?

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Wolkenstraßen vom Satelliten aus | In der Atmosphäre erzeugt die Konvektion zum Beispiel Wolkenstraßen wie auf dieser Satellitenaufnahme der nordamerikanischen Ostküste. Die Prozesse laufen bei so flüchtigen Medien wie Wasserdampf viel schneller ab als bei sich umwälzenden Eismassen, das Grundprinzip ist aber das gleiche.

Das haben sich auch der Doktorand Alexander Trowbridge und sein Betreuer Andrew Freed von der Purdue University in Indiana gefragt, die gerade eine von zwei aktuellen Studien zu diesem Thema veröffentlichten. Für sie und andere Geophysiker drückt sich die Frage in der so genannten Rayleigh-Zahl aus. Ist sie groß genug, könnte sogar ein vergleichsweise festes und sprödes Material wie gefrorener Stickstoff fließen, innerhalb der Stickstoffeisschicht nach oben steigen oder nach unten absinken.

Bestimmt wird die Rayleigh-Zahl durch mehrere Faktoren: den Temperaturunterschied zwischen oben und unten, wie zähflüssig und wie dicht der gefrorene Stickstoff ist, wie gut er die Wärme leitet und wie tief das Tal ist, in dem sich der Stickstoff gesammelt hat. Um diese Fragen zu beantworten, müssen die Wissenschaftler ein paar Werte schätzen, andere aus Laborexperimenten extrapolieren. Zum Beispiel können sie nicht wissen, wie warm es auf dem Pluto unter dem Stickstoffeis ist.

Wassereisberge treiben durch die Wüste

Experimente eines japanischen Forscherteams verraten ihnen aber, wie viel Wärme das Stickstoffeis an seine Umgebung abgibt. Bekannt ist auch Plutos Oberflächentemperatur. Die Konvektion stellen sie sich wegen der Zähflüssigkeit des Materials ähnlich vor wie beim Magma, und wenn sie das miteinander kombinieren, können sie die Rayleigh-Zahl für eine Reihe von Schichtdicken abschätzen. Trowbridge und seine Kollegen stellten auf diese Weise fest, dass sich der gefrorene Stickstoff schon bei einer Schichtdicke von drei bis vier Kilometern stark umwälzen könnte.

In Wirklichkeit könnte das Stickstoffeis aber noch viel weiter in die Tiefe reichen. Denn an den Rändern einiger Polygone treiben anscheinend gewaltige Brocken Wassereis auf dem gefrorenen Stickstoff. Das geht, weil die Dichte von Wassereis etwas geringer ist als die von Stickstoffeis. Doch die Eisberge benötigen viel Platz unter sich – mehr als nur die vier Kilometer, die die Forscher zunächst errechneten.

Die Form der Zellen liefert ihnen einen weiteren Anhaltspunkt. Derartige Strukturen haben oft ein sehr ähnliches Verhältnis von Breite zu Tiefe. Demzufolge müsste die Stickstoffeisschicht wesentlich mächtiger sein, als sie anfangs annahmen. Am Rand etwa sechs und in der Mitte etwa zehn Kilometer – das ist das Ergebnis ihrer finalen Abschätzung.

"Viel zu tief", widerspricht William McKinnon von der Washington University und Hauptautor einer zweiten Studie zu den Pluto-Polygonen. Genau wie Trowbridge vertritt er die Hypothese, dass es sich um Konvektionsmuster handelt. Ihre Tiefe bestimmte er anfangs ebenfalls mit 10 Kilometern, bis hin zu 20. Doch die Theorie habe einen Haken, meint McKinnon.

Ein so tiefes Tal dürfte es nämlich auf dem Zwergplaneten überhaupt nicht geben. Zumindest nicht, wenn es durch den Einschlag eines Himmelskörpers entstanden sein sollte, wie beide Forschergruppen annehmen. Die Lösung sieht er in den Eigenschaften des Stickstoffeises. Man müsse berücksichtigen, dass die Wärme in der Tiefe das Eis vermutlich nachgiebiger mache.

Wie sehr, ist nicht bekannt. Derart große Mengen Stickstoffeis lassen sich auf der Erde experimentell nur bedingt untersuchen. McKinnons Computersimulationen der Konvektionsströme auf Grundlage entsprechend geschätzter Werte lieferten immerhin ein Ergebnis, das in das Szenario eines flachen Tals passt: Die Schicht sei wahrscheinlich nur drei bis sechs Kilometer dick, meint McKinnon.

Welche Antwort auch stimmt, es bleibt eine gewaltige Menge Material. Die Ebene misst mehr als 1000 Kilometer im Durchmesser – würde man ihren Inhalt über den gesamten Zwergplaneten auswalzen, wäre seine Oberfläche mehrere hundert Meter hoch mit Eis bedeckt. Woher diese großen Mengen an Stickstoff kommen und warum sie sich in der Sputnik-Ebene konzentriert haben, können sich allerdings weder McKinnon noch Trowbridge und sein Team erklären.

23/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 23/2016

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