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Saturnmond: Wie kam Iapetus zu seiner dunklen Seite?

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Ein internationales Forscherteam stellte kürzlich in zwei Veröffentlichungen die bislang schlüssigste Theorie vor, warum der äußere Saturnmond Iapetus zwei völlig verschiedene Hemisphären aufweist. Die in Richtung der Bahnbewegung weisende "Bugseite" des Mondes ist durchweg fast kohlschwarz und reflektiert nur wenige Prozent des auftreffenden Sonnenlichts. Die "Heckseite" ist dagegen fast so hell wie frisch gefallener Schnee.
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Iapetus – Der Saturnmond mit zwei Gesichtern | Der rund 1450 Kilometer große Saturnmond Iapetus weist eine fast kohlschwarze (links) und eine fast schneeweiße Hemisphäre auf (rechts). Kürzlich konnte eine internationale Forschergruppe klären, wie Iapetus zur seinen beiden "Gesichtern" kam. Die Bilder wurden von der Raumsonde Cassini aufgenommen.


Die Forscher um Tilmann Denk an der freien Universität Berlin vermuten, dass eine thermisch bedingte, sich selbst vertärkende globale Umverteilung von Wassereis auf der Iapetus-Oberfläche für das seltsame Erscheinungsbild des Mondes verantwortlich ist.

Schon Jean-Dominique Cassini (1625 – 1712), dem Entdecker von Iapetus im Jahre 1671, fiel auf, dass er den Saturnmond immer nur auf der westlichen Seite von Saturn gut sehen konnte, nicht aber auf der östlichen. Erst im Jahr 1705 gelang es Cassini mit einem besseren Teleskop, Iapetus auf der östlichen Seite des Ringplaneten aufzuspüren.

Er stellte fest, dass Iapetus dann zwei Größenklassen schwächer leuchtet als auf der westlichen Seite. Um dieses seltsame Verhalten zu erklären, vermutete er korrekt, dass Iapetus eine sehr helle und eine sehr dunkle Hemisphäre aufweist. Zudem musste der Mond wie der Erdmond gebunden rotieren und Saturn immer die gleiche Seite zuwenden. Zeigte die helle Seite zur Erde, dann war Iapetus gut zu sehen, wandte er die dunkle Seite zu uns, leuchtete er viel schwächer.

Fast drei Jahrhunderte lang war das der Kenntnisstand über diesen Saturnmond, erst Anfang der 1980er Jahre gelangen mit den beiden Voyager-Raumsonden erste Schnappschüsse von Iapetus, die deutlich die Richtigkeit von Cassinis Annahmen belegten.

Aber erst mit der Ankunft der US-Raumsonde Cassini, die zu Ehren von Jean-Dominique Cassini benannt wurde, gelang es, den rund 1450 Kilometer großen Saturnmond im Detail zu kartieren und die Eigenschaften seiner Oberfläche zu erkunden.

Auf der Bugseite des Mondes nimmt die dunkle "Cassini Regio" rund 40 Prozent der Hemisphäre ein. Detailbilder zeigen, dass es sich bei dem dunklen Material um eine sehr dünne Schicht handelt. Die Oberfläche des gesamten Mondes ist sehr alt und stammt aus der Frühzeit unseres Sonnensystems vor rund vier Milliarden Jahren. Sie weist sehr viele Einschlagkrater auf, die bis zu 580 Kilometer groß sind.

Schon seit langem vermuteten die Forscher, dass ein Teil des dunklen Materials auf Iapetus von außen kommt und zwar von den kleinen äußeren Saturnmonden wie Phoebe. Erst kürzlich wurde gezeigt, dass im Bereich der Umlaufbahn von Phoebe ein wahrhaft gigantischer, aber dennoch äußerst dünner Ring existiert, der aus feinsten dunklen Staubteilchen zusammengesetzt ist. Diese werden durch Mikrometeoriten aus den Oberflächen von Phoebe und weiteren kleinen Monden herausgeschlagen und sammeln sich im Bereich ihrer Umlaufbahnen an. Nach und nach gelangt dann ein Teil dieses Staubs ins innere Saturnsystem.

Das Forscherteam um Tilmann Denk simulierte die Entwicklung der gesamten Iapetus-Oberfläche unter der Vermutung, dass dieser Staub auf Iapetus trifft. Die Forscher gehen von einer ursprünglich hellen Gesamtoberfläche aus Wassereis aus, die nur geringe Mengen an dunklem Material enthält. Dann lassen sie Iapetus die feinen Staubteilchen von den äußeren Monden über mehrere Milliarden Jahre hinweg aufsammeln. Die Teilchen treffen auf der Bugseite des Mondes auf und färben die dortige Oberfläche immer dunkler.
Die Entwicklung der Iapetus-OberflächeLaden...
Simulierte Entwicklung der Iapetus-Oberfläche | Ein internationales Forscherteam um Tilmann Denk an der FU Berlin simulierte, wie der Saturnmond Iapetus zu seiner zweifarbigen Oberfläche kam: Iapetus startet mit einer hellen Oberfläche aus Wassereis, die nur sehr wenig dunkles Material enthält (ganz oben). Feines Staubmaterial von den äußeren kleinen Saturnmonden rieselt auf die Bugseite des Mondes herab und beginnt diese abzudunkeln (zweites Bild von oben). Durch die Verdunklung der Oberfläche heizt sich diese unter dem Einfall des Sonnenlichts auf und das Wassereis verdunstet, es sublimiert. Zurück bleibt dunkles Material, was den Sublimationsprozess weiter verstärkt. Nach 2,4 Milliarden Jahren ist annähernd der heutige Zustand erreicht, vergleiche mit der Iapetus-Karte ganz unten.


Schon nach etwa 260 Millionen Jahren lässt sich eine gewisse Verdunklung erkennen. In diesen Bereichen wird das Sonnenlicht schlechter reflektiert und die Oberfläche wird dadurch wärmer. Somit beginnt ein Teil des Wassereises in der oberen Kruste zu sublimieren, das heißt das Wassereis verwandelt sich ohne zu schmelzen in Wasserdampf und entweicht ins All.

Durch die Sublimation bleibt das nicht flüchtige Material zurück, das schon in der Kruste vorhanden war und die Oberfläche wird noch dunkler. Damit wird der Sublimationsprozess immer effizienter und verstärkt sich selbst. Nach 1,2 Milliarden Jahren zeigt sich entlang des Äquators des Mondes auf der Bugseite eine langgestreckte ovale Fläche, die völlig eisfrei ist. Am Äquator fällt das Sonnenlicht am stärksten ein und heizt diesen Bereich besonders stark auf.

Nach weiteren 1,2 Milliarden Jahren ist die dunkle Region so weit angewachsen, dass sie der heutigen Verteilung schon sehr stark ähnelt. Mit der selbstverstärkenden Sublimation lässt sich auch erklären, warum die Bugseite von Iapetus nicht völlig schwarz ist, sondern in hohen Breiten hell ist. An den Polen fällt das Sonnenlicht nur in sehr flachen Winkeln ein, so dass dort die Temperaturen für den Sublimationsprozess nicht ausreichen.

Tilmann Althaus

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