Wissenschaftler modellieren die Oberfläche des größten Saturnmondes Titan

Saturns größter Mond, Titan, ist überraschend erdähnlich, wenn es um Landschaftsformationen geht, laut neuen Modellen, die von Planetenwissenschaftlern erstellt wurden.

Aus dem Weltraum betrachtet hat der Mond, der größer als der Planet Merkur ist, andere Ähnlichkeiten mit der Erde – einschließlich Flüsse, Seen und Meere, die mit fallendem Regen gefüllt sind – obwohl der Regen auf Titan flüssiges Methan ist, das durch Stickstoffwinde fällt.

Laut einem Team von Planetenwissenschaftlern der Stanford University in Kalifornien erzeugen diese Materialien Kohlenwasserstoff-Sanddünen, die sich stark von silikatischen Sedimentstrukturen anderswo im Sonnensystem unterscheiden.

Die Bildung der Sanddünen in der Nähe von Flüssen, Seen und Ozeanen, die mit flüssigem Methan gefüllt sind, sei rätselhaft und schwer festzumachen, erklärte das Team.

Sie erstellten eine Reihe von Computermodellen, die zeigten, dass ein erdähnlicher saisonaler Zyklus in der Atmosphäre die Bewegung von Körnern über die Mondoberfläche antreibt, Kohlenwasserstoffklumpen zusammenkommen lässt und die Dünen und Ebenen bildet.

Titan wird von vielen Wissenschaftlern aufgrund seiner relativen Bewohnbarkeit, einschließlich des saisonalen Zyklus und des Wettersystems, als Hauptkandidat für eine zukünftige menschliche Besiedlung angesehen.

Mathieu Lapôtre, Geologe und Hauptautor der Studie, erklärte, dass ihr Durchbruch darin bestand, einen Prozess zu identifizieren, der es Substanzen auf Kohlenwasserstoffbasis ermöglichen würde, Sandkörner oder Grundgestein zu bilden, je nachdem, wie oft Winde wehen und Bäche fließen.

Dies ermöglichte ihnen zu verstehen, wie Titans unterschiedliche Dünen, Ebenen und labyrinthische Landschaften gebildet werden konnten.

Titan ist nach der Erde der einzige andere Körper in unserem Sonnensystem, der einen erdähnlichen, saisonalen Flüssigkeitstransportzyklus hat, und das neue Modell zeigt, wie dieser saisonale Zyklus die Bewegung von Körnern über die Mondoberfläche antreibt.

“Unser Modell fügt einen vereinheitlichenden Rahmen hinzu, der es uns ermöglicht zu verstehen, wie all diese Sedimentumgebungen zusammenarbeiten”, sagte Lapôtre, Assistenzprofessor für geologische Wissenschaften an der Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences.

„Wenn wir verstehen, wie die verschiedenen Teile des Puzzles zusammenpassen und wie sie funktionieren, können wir damit beginnen, die von diesen Sedimentprozessen zurückgelassenen Landformen zu nutzen, um etwas über das Klima oder die geologische Geschichte von Titan auszusagen – und wie sie sich auf die Aussicht auswirken könnten für das Leben auf Titan.’

Um ein Modell zu bauen, das die Entstehung der unterschiedlichen Landschaften Titans simulieren konnte, mussten Lapôtre und seine Kollegen zunächst eines der größten Geheimnisse über Sedimente auf dem Planetenkörper lösen – die Zerbrechlichkeit organischer Verbindungen.

Es wird angenommen, dass organische Verbindungen viel zerbrechlicher sind als anorganische Silikate – wie sie auf der Erde und der Venus zu finden sind – und sich in Staub verwandeln, anstatt sich abzunutzen.

Auf der Erde erodieren Silikatgesteine ​​und Mineralien an der Oberfläche im Laufe der Zeit zu Sedimentkörnern, bewegen sich durch Winde und Ströme und lagern sich in Sedimentschichten ab, die sich schließlich wieder in Gestein verwandeln.

Diese Felsen durchlaufen dann den Erosionsprozess und die Materialien werden im Laufe der geologischen Zeit durch die Erdschichten recycelt.

Forscher glauben, dass auf Titan ähnliche Prozesse die Dünen, Ebenen und labyrinthischen Landschaften gebildet haben, die aus dem Weltraum zu sehen sind.

Anders als auf den terrestrischen Planeten Erde, Mars und Venus, wo Silikatgestein dominiert und Sedimente produziert, stammt es auf Titan aus festen organischen Verbindungen.

Wissenschaftler konnten bisher nicht zeigen, wie diese Verbindungen zu Sedimentkörnern wachsen, die über die Mondlandschaften und über geologische Zeiträume transportiert werden können.

“Wenn Winde Körner transportieren, kollidieren die Körner miteinander und mit der Oberfläche”, erklärte Lapôtre.

„Diese Kollisionen neigen dazu, die Korngröße im Laufe der Zeit zu verringern. Was uns fehlte, war der Wachstumsmechanismus, der das ausgleichen und es den Sandkörnern ermöglichen könnte, über die Zeit eine stabile Größe beizubehalten“, sagte er.

Sie fanden eine Lösung, indem sie sich eine spezielle Art von Sedimenten ansahen, die in seichten tropischen Meeren auf der Erde vorkommen – sogenannte Ooide, das sind kleine, kugelförmige Körner.

Ooide bilden sich, wenn Kalziumkarbonat aus der Wassersäule gezogen wird und sich in Schichten um ein Korn wie Quarz anlagert.

Was Ooide einzigartig macht, ist ihre Bildung durch chemische Ausfällung, die Ooiden wachsen lässt, während der gleichzeitige Prozess der Erosion das Wachstum verlangsamt, da die Körner durch Wellen und Stürme ineinander geschleudert werden.

Diese beiden konkurrierenden Mechanismen gleichen sich im Laufe der Zeit aus, um eine konstante Korngröße zu bilden – ein Prozess, den die Forscher vermuten, könnte auch auf Titan stattfinden.

„Wir konnten das Paradoxon auflösen, warum es auf Titan so lange Sanddünen gegeben haben könnte, obwohl die Materialien sehr schwach sind“, sagte Lapôtre.

“Wir stellten die Hypothese auf, dass das Sintern – bei dem benachbarte Körner zu einem Stück miteinander verschmelzen – den Abrieb ausgleichen könnte, wenn der Wind die Körner transportiert.”

Bewaffnet mit einer Hypothese zur Sedimentbildung verwendeten Lapôtre und die Co-Autoren der Studie vorhandene Daten über das Klima auf Titan und die Richtung des windgetriebenen Sedimenttransports, um seine unterschiedlichen parallelen Bänder geologischer Formationen zu erklären.

Das sind Dünen in der Nähe des Äquators, Ebenen in den mittleren Breiten und Labyrinthe in der Nähe der Pole.

Atmosphärische Modelle und Daten der Cassini-Mission zeigen, dass Winde in der Nähe des Äquators üblich sind, was die Idee unterstützt, dass dort weniger sinternde und daher feine Sandkörner entstehen könnten – ein kritischer Bestandteil von Dünen.

Die Autoren der Studie sagen eine Flaute im Sedimenttransport in mittleren Breiten auf beiden Seiten des Äquators voraus, wo das Sintern dominieren und immer gröbere Körner erzeugen könnte, die sich schließlich in das Grundgestein verwandeln, aus dem die Ebenen von Titan bestehen.

Sandkörner sind auch für die Bildung der labyrinthischen Gelände des Mondes in der Nähe der Pole notwendig.

Forscher glauben, dass diese ausgeprägten Klippen wie Karst im Kalkstein auf der Erde sein könnten – aber auf Titan wären sie eingestürzte Merkmale aus aufgelösten organischen Sandsteinen.

Flussströmungen und Regenstürme treten viel häufiger in der Nähe der Pole auf, wodurch Sedimente eher von Flüssen als von Winden transportiert werden.

Ein ähnlicher Prozess des Sinterns und Abriebs während des Flusstransports könnte eine lokale Versorgung mit groben Sandkörnern ermöglichen – die Quelle für die Sandsteine, von denen angenommen wird, dass sie Labyrinthgelände bilden.

„Wir zeigen, dass wir auf Titan – genau wie auf der Erde und was früher auf dem Mars der Fall war – einen aktiven Sedimentzyklus haben, der die Breitenverteilung von Landschaften durch episodischen Abrieb und Sinterung erklären kann, die von den Jahreszeiten auf Titan angetrieben werden“, sagte Lapôtre .

“Es ist ziemlich faszinierend, darüber nachzudenken, wie es diese alternative Welt so weit draußen gibt, wo die Dinge so unterschiedlich und doch so ähnlich sind.”

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht.