Titan: Seen durch Explosionen entstanden?

Explosiver Ursprung: Die rätselhaften Rundseen auf dem Saturnmond Titan könnten völlig anders entstanden sein als gedacht – durch explosive Gasausbrüche. Ähnlich wie bei den irdischen Maaren lieferte das plötzliche Verdampfen einer Flüssigkeit dabei den nötigen Explosionsdruck. Im Falle des Titan durchlebte jedoch nicht Wasser, sondern Stickstoff diesen explosiven Phasenwechsel, wie Forscher im Fachmagazin „Nature Geoscience“ berichten.

Der Saturnmond Titan ist neben der Erde der einzige Himmelskörper im Sonnensystem, der Seen und Flüsse auf seiner Oberfläche besitzt. Sie sind nicht mit Wasser gefüllt, sondern vorwiegend mit flüssigem Methan und Ethan – Kohlenwasserstoffen, die auf dem Saturnmond als Eis, Flüssigkeit und Gas vorkommen. Damit ähneln Landschaften und Prozesse auf dem Titan trotz dieser ungewöhnlichen Chemie verblüffend denen der Erde.

Eine ganze Seite des Titan-Nordpolargebiets ist von den kleinen Seen mit Randwülsten übersät. © NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

Karst-Einbrüche – oder doch nicht?

Doch eine Landschaftsform gibt Forschern Rätsel auf: hunderte wie eingestanzt im Nordpolargebiet liegende Seen. Ihre steilen Ufer, tiefen Becken und hohen Randwülste lassen sich mit gängigen geologischen Prozessen nur schwer erklären. In ihrer Form und Tiefe ähneln diese Seen zwar irdischen Karstseen und Dolinen. Aber obwohl es auf dem Titan tatsächlich eine Art Karst zu geben scheint, passen vor allem die hohen Ränder nicht ins Bild, wie Guiseppe Mitri von der Universität Annunzio in Italien und seine Kollegen erklären.

Das Problem: Der fast kraterartig aufgewölbte Uferrand dieser Seen ragt teilweise mehr als hundert Meter über den Meeresspiegel des Titan auf. „Dolinen bilden sich aber durch Kollaps, Lösung oder Senkung des Terrains – diese Prozesse produzieren keine erhöhten Ränder“, so die Forscher. Doch was kann dann diese von Randwülsten umgebenen Seen geschaffen haben?

Auffallende Ähnlichkeit zu Maaren

Auf der Suche nach einer Erklärung, stießen Mitri und sein Team auf eine irdische Landschaftsform, die den Titanseen überraschend ähnlich ist: Maare. Diese bei uns vor allem in der Eifel vorkommenden rundlichen Seen entstanden durch die explosive Reaktion heißen Magmas mit Grundwasser. Der Kontakt mit dem glutflüssigen Gestein ließ das Wasser abrupt verdampfen und die resultierende Explosion sprengte die Maare in die Landschaft.

„Viele Maare sind von ausgeworfenen Ablagerungen umgeben, sogenannten Tephra-Ringen“, erklären Mitri und sein Team. Ähnlich wie bei den Titanseen bilden diese Tephra-Ringe einen hochgewölbten Rand um die eingesenkten Maare. Könnte es sich bei den Wülsten um die Titanseen ebenfalls um solche Auswurfsringe handeln? Nähere Analysen von Aufnahmen der NASA-Raumsonde Cassini bestätigten dies: Zumindest einige dieser Seen besitzen nicht nur die aufgewölbten Ufer, sondern scheinen auch von einem Gürtel aus Auswurf umgeben zu sein, wie die Forscher feststellten.

Das bedeutet: Auch die „eingestanzten“ Seen des Titan könnten durch eine Explosion entstanden sein.

Stickstoff-Explosion als Ursache?

Allerdings: Auf dem Saturnmond gibt es weder Wasser noch heißes Magma – was also könnte dort explodiert sein? Auf der Suche nach einer Erklärung schauten sich Mitri und sein Team die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit in den Titanseen näher an. Dabei stellten sie fest, dass neben dem flüssigen Methan auch ein geringer Anteil an flüssigem Stickstoff enthalten ist. Zudem gibt es auch in der Titan-Atmosphäre reichlich Stickstoff.

Bekannt ist zudem, dass der Saturnmond deutlich kältere Zeiten durchlaufen hat – Phasen, in denen es kalt genug war, um gasförmigen Stickstoff als Regen auf die Titanlandschaft regnen zu lassen. „Auf Titans Oberfläche könnte es dadurch Seen aus flüssigem Stickstoff gegeben haben und auch Reservoire flüssigen Stickstoffs unter der Oberfläche“, so die Forscher. Als es dann jedoch allmählich wärmer wurde, machte dieser Stickstoff einen Phasenübergang durch und verwandelte sich in Gas.

Genau hier setzt das Szenario der Forscher ein: Weil das Stickstoffgas mehr Raum einnimmt als flüssiger Stickstoff, entstand in den unterirdischen Reservoiren ein Überdruck, wie sie erklären. War eine kritische Schwelle erreicht, sprengte dieser Druck die Decke des Reservoirs ab – es kam zu einer Explosion.

Genug Druck für ein Maar

„Wir interpretieren die morphologischen Merkmale dieser Titanseen mit erhöhten Rändern als Beleg für ihren Ursprung in einer explosiven Eruption“, konstatieren Mitri und seine Kollegen. „Sie wurden gebildet, als flüssiger Stickstoff nahe unter der Oberfläche einen Phasenübergang durchmachte.“ Ihren Berechnungen zufolge wäre der plötzliche Druckanstieg durch einen solchen Wechsel zu gasförmigem Stickstoff stark genug, um die Titanseen gebildet zu haben.

Die dafür nötigen Bedingungen – erst eine Kaltphase, dann eine Erwärmung – könnte es sogar mehrfach im Laufe der Geschichte des Saturnmonds gegeben haben, so die Forscher. Sollte sich ihr Szenario bestätigen, dann wären die „eingestanzten“ Titanseen die Zeugnisse für solche Stickstoff-dominierten Kaltzeiten. (Nature Geoscience, 2019; doi: 10.1038/s41561-019-0429-0)

Quelle: NASA JPL