Fachbereich 14 - Geowissenschaften
Institut für Planetologie
Planetenphysik

Gezeiten, Rotation und Bahnenetwicklung

Zwischen der Bahnentwicklung natürlicher Satelliten und ihrem inneren Zustand besteht aufgrund der Kopplung über Gezeitenkräfte ein enger Zusammenhang. Die Wirkung der auftretenden Kräfte auf die Satelliten hängt dabei wesentlich vom thermischen und damit vom rheologischen Zustand im Innern ab. Im Falle der Galileischen Satelliten besteht durch die Laplace-Resonanz zwischen Io, Europa und Ganymed eine zusätzliche enge Bahnkopplung der Satelliten untereinander. Dadurch ist es möglich, zweifach gekoppelte Evolutionsmodelle zu gewinnen, die sowohl Ios als auch Europas thermische Entwicklung und deren bahndynamische Wechselwirkung beschreiben.

Wie Messungen der Raumsonde Galileo gezeigt haben, handelt es sich bei Io, Europa und Ganymed um stark differenzierte Körper. Während Io aus einem eisenreichen Kern und einem Silikatmantel besteht, wird die äußerste Schicht Europas aus Wassereis gebildet. Eine wichtige Folge der inneren Wärmeentwicklung durch Gezeitenreibung ist neben der vulkanischen Aktivität auf Io, die mögliche Bildung eines Ozeans unterhalb der festen Eisschicht Europas. Im Rahmen dieses Projektes durchgeführte Modellrechnungen zur Wärmeentwicklung und zum Wärmetransport im Innern Europas haben gezeigt, dass ein Ozean mit einer Mächtigkeit von etwa 100 km im thermischen Gleichgewicht mit der darüberliegenden Eisschicht ist, sofern die Eisschichtdicke bei etwa 30 km liegt. Bei diesen Modellrechnungen wurden neue Erkenntnisse zu stark temperaturabhängiger Viskosität für den Wärmetransportdurch Konvektion zugrundegelegt. Dieses Modell wurde zudem auf den Saturnmond Titan übertragen. Hier wird ein Ozean unter einer etwa 80 km mächtigen Eisschicht vorhergesagt, der sich durch die entsprechend stärkeren Gezeitendeformationen bei Anwesenheit einer flüssigen entkoppelnden Schicht durch Schwerefeldmessungen während der Cassini Mission nachweisen ließe.

Im Fall von Io, Europa und Ganymed lassen sich aufgrund der Laplace Resonanz gekoppelte thermisch-orbitale Evolutionsrechnungen durchführen. Es treten auf geologischen Zeitskalen verschiedene Phasen der Wärmeentwicklung von Io und Europa auf, die mit unterschiedlichen Eismächtigkeiten Europas einhergehen. Die Variationen liegen etwa zwischen 5 und 50 km. Dieses bedeutet, dass der Ozean auch über lange Zeiträume stabil bleiben kann, da die gesamte Mächtigkeit der Eis- /Wasserschicht deutlich größer ist (etwa 80-150 km).

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. H. Hußmann, Prof. Dr. T. Spohn, Dr. F. Sohl

Veröffentlichungen:

Hussmann, H., T. Spohn, K. Wieczerkowski: Thermal equilibrium states of Europa's ice shell, XXVI General Assembly European Geophysical Society, Geophys. Res. Abstr. (CD-ROM), 3, PS6, Nice, 2001.

Hussmann H., T. Spohn: Dynamical Evolution of the Galilean Satellites: Implications for Europa's Interior Temperature and Ocean Thickness, 33rd Annual Meeting of the Division for Planetary Sciences AAS, Bull. Am. Astr. Soc. 33, 37.01, New Orleans, 2001.

Hussmann, H., T. Spohn, K. Wieczerkowski: Thermal equilibrium states of Europa's ice shell: implications for internal ocean thickness and surface heat flow, Icarus, 156, 143-151, 2002.

Hussmann H.and T. Spohn: Thermal-orbital evolution of Europa: implications for ice shell thickness and heat flow, Eurojove conference, P-4.1.12, Lissabon 2002.

Sohl, F., T. Spohn, D. Breuer, K. Nagel: Implications from Galileo observations on the interior structure and chemistry of the Galilean satellites, Icarus, 157, 104-119, 2002.

Hussmann, H., T. Spohn: Coupled Thermal-Orbital Evolution of Europa, Eos Trans. AGU, 83(47), Fall Meet. Suppl., Abstract P72B-0505, 2002.

Hußmann, H.: Europa's ocean and the thermal-orbital evolution of the Galilean satellites, Dissertation, Westf. Wilhelms-Universität Münster, 2003

Sohl, F., H. Hussmann, B. Schwentker, T. Spohn, R.D. Lorenz: Interior structure models and tidal Love numbers of Titan, J. Geophys. Res., eingereicht, 2003.

Hussmann, H., T. Spohn: Io-like tidal heating rates in Europa derived from thermal-orbital evolution models, XXVIII General Assembly European Geophysical Society, Geophys. Res. Abstr. (CD-ROM), 5, PS9 1511, Nice, 2003.