Saturns Mond Enceladus ist eine gefrorene Hülle, die einen globalen Ozean umschließt, und nahe seinem Südpol sprühen Risse in der Kruste Wasserdampf und Eispartikel ins All – wie ein Geysir, der das Memo über sanitäre Inneninstallationen nie erhalten hat. Diese Partikel ermöglichen es Wissenschaftlern, einen fremden Ozean zu untersuchen, ohne durch Kilometer von Eis bohren zu müssen, was praktisch ist, weil niemand einen so langen Bohrer hat.

Ein internationales Team, darunter Forscher des Earth-Life Science Institute (ELSI) am Institute of Science Tokyo, hat nun untersucht, was mit diesem Ozeanwasser passiert, wenn es von unter der Oberfläche nach oben wandert und schließlich zu den winzigen Eispartikeln wird, die im Weltraum nachgewiesen werden.

Zwischen 2004 und 2017 maß der Cosmic Dust Analyzer an Bord der NASA-Raumsonde Cassini die Zusammensetzung einzelner Eispartikel im E-Ring des Saturn, der kontinuierlich mit Material versorgt wird, das aus Enceladus ausbricht. Ein Team unter der Leitung von Prof. Frank Postberg an der Freien Universität Berlin untersuchte 961 Massenspektren von salzreichen Partikeln, den sogenannten Typ-3-Partikeln. Wenn die Partikel einfach kleine Proben desselben Ozeanwassers wären, könnte man erwarten, dass sie weitgehend ähnliche Salzmischungen enthalten. Stattdessen waren einige besonders reich an Natriumchlorid, während andere höhere Mengen an Carbonaten, Phosphaten oder Kaliumchlorid enthielten. Ein besonders auffälliges Muster: Chlorid und Carbonat traten selten zusammen in demselben natriumreichen Partikel auf.

Das warf ein grundlegendes Rätsel auf. Wenn all diese Partikel aus demselben Ozean stammten, warum unterschieden sich ihre chemischen Zusammensetzungen so stark? Es ist das planetarwissenschaftliche Äquivalent dazu, dieselbe Suppe im selben Restaurant zu bestellen und jedes Mal völlig unterschiedliche Gewürze zu bekommen.

Um dieser Frage nachzugehen, stellten Professor Yasuhito Sekine und Kollegen am ELSI im Labor Tröpfchen her, die die wichtigsten Salze enthielten, von denen man annimmt, dass sie in Enceladus' Ozean vorkommen. Die Forscher froren Tröpfchen unterschiedlicher Größe unter verschiedenen Kühlbedingungen ein und untersuchten dann, wie die chemischen Elemente verteilt waren, nachdem die Tröpfchen erstarrt waren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Geschwindigkeit des Einfrierens eine große Rolle spielt.

In Tröpfchen von etwa 200 Mikrometern Durchmesser trennten sich die Salze in verschiedene Bereiche, wenn das Einfrieren relativ langsam erfolgte, bei etwa 10 K pro Minute oder weniger. Wenn die Tröpfchen schneller gefroren, blieben ihre chemischen Bestandteile viel gleichmäßiger vermischt.

„Was uns überraschte, war, dass die von Cassini beobachtete Vielfalt aus Tröpfchen entstehen konnte, die im Wesentlichen aus demselben Ozeanwasser stammten“, sagte Sekine. „Unsere Experimente zeigen, dass sich verschiedene Salze in relativ großen Ozeantröpfchen trennen können, wenn diese langsam gefrieren. Wenn diese gefrorenen Tröpfchen später auseinanderbrechen, können sie viel kleinere Eispartikel erzeugen, jedes mit einer ganz anderen chemischen Zusammensetzung.“

Die Ergebnisse könnten auch etwas darüber verraten, was in der eisigen Kruste des Mondes vor sich geht. Frühere Studien gingen im Allgemeinen davon aus, dass das Meerwasserspray von Enceladus schnell gefriert und sich nach dem Verlassen des Ozeans rasch in Richtung Weltraum bewegt. Die neuen Experimente deuten auf ein anderes Szenario hin: Die Tröpfchen könnten sich zunächst viel langsamer durch das unterirdische Spaltsystem bewegen und dabei komplizierten Wegen durch Risse im Eis folgen, bevor sie sich der Oberfläche nähern.

Die Forscher schlagen vor, dass das Ozeanspray zunächst Tröpfchen mit Größen von einigen zehn bis hundert Mikrometern bildet. Während sich diese Tröpfchen langsam durch tiefere Abschnitte der Spalten bewegen, gefrieren sie allmählich, wodurch die Salze genügend Zeit haben, sich in verschiedene Bereiche zu trennen. Näher an der Oberfläche ändern sich die Bedingungen. Gas beginnt sich schneller zu bewegen, und die gefrorenen Tröpfchen können mit hoher Geschwindigkeit gegen die Wände engerer eisiger Kanäle prallen. Diese Kollisionen können die Tröpfchen in viel kleinere Stücke zerbrechen. Jedes Fragment kann aus einem anderen salzreichen Bereich innerhalb des ursprünglichen gefrorenen Tröpfchens stammen, wodurch Partikel mit sehr unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen entstehen. Diese Fragmente können dann ins All entweichen und Teil von Saturns E-Ring werden.

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