Titan: „Unmögliche“ Wolke verblüfft Forscher

Sie dürfte eigentlich nicht existieren – und doch ist sie da: Auf dem Saturnmond Titan haben NASA-Forscher eine Eiswolke aus Dicyanoethin (C4N2) entdeckt, die Rätsel aufgibt. Denn in der Stratosphäre des Mondes gibt es so gut wie keinen Dampf dieses Moleküls. Eine Kondensation zur Wolke ist demnach eigentlich unmöglich. Wie aber könnte diese rätselhafte Wolke sonst entstanden sein?

Das Rätsel begann schon mit der Raumsonde Voyager 1: Bei ihrem Vorbeiflug am Saturnmond Titan im Jahr 1980 sendete ihr Infrarot-Spektrometer Daten, die auf die Existenz einer Eiswolke aus der Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung Dicyanoethin (C4N2) hindeuteten. Prinzipiell wäre dies in der Atmosphäre des Titan nichts Außergewöhnliches, denn dort gibt es genügend organische Verbindungen, die diese beiden Elemente enthalten.

Kein Dampf weit und breit

Das Seltsame aber: Normalerweise bilden sich Wolken, wenn die gasförmige Variante eines Stoffs kondensiert oder zu Eis auskristallisiert. Auf der Erde wird beispielsweise Wasserdampf in der Luft durch plötzliche Abkühlung zu Wolkentröpfchen. Je nach Druck und Temperatur stehen dabei gasförmige und flüssige oder feste Form des Stoffs in einem Gleichgewicht.

Doch die mysteriöse Titanwolke schien diesem Naturgesetz zu widersprechen: Das Voyager-Messgerät konnte so gut wie kein gasförmiges Dicyanoethin in der Titanatmosphäre nachweisen. Die Wolke schwebte stattdessen inmitten einer „Wüste“, was dieses Molekül angeht. Um ihre Existenz erklären zu können, müsste hundertfach mehr Dicyanoethin-Dampf vorhanden sein.

Wie war das zu erklären? Damals vermuteten die Planetenforscher, dass es sich um ein Messproblem handelte: Das Infrarot-Instrument der Voyager-Sonde war im entscheidenden Wellenlängenbereich wohl nicht sensibel genug, um den Dicyanoethin-Dampf zu registrieren – so die Hypothese.

So könnten die chemischen Umwandlungen in den Eispartikeln der Titanatmosphäre ablaufen. © NASA/JPL-Caltech/GSFC

Zweite Rätselwolke entdeckt

Doch jetzt hat die Raumsonde Cassini wieder eine solche Rätselwolke auf dem Titan entdeckt. Die ausgedehnte Dicyanoethin-Wolke schwebt in der polaren Stratosphäre des Saturnmonds. Und diesmal ist klar, dass in ihrem Umfeld tatsächlich so gut wie kein Dicyanoethin-Dampf zu finden ist – die Messdaten der Cassini-Sonde sind hier eindeutig.

„Die Existenz dieser Eiswolke widerspricht damit allem, was wir über die Wolkenbildung auf dem Titan wissen“, konstatiert Carrie Anderson vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt. Wenn diese Dicyanoethin-Wolke nicht durch Kondensation entstanden ist, wie aber dann?

Chemische Umwandlung im Eiskristall

Auf der Suche nach einer Erklärung wendeten sich Anderson und ihre Kollegen einem anderen möglichen Mechanismus zu: einer Bildung der Dicyanoethin-Wolke durch chemische Umwandlung der Eiskristalle. Im ersten Schritt bilden sich dabei Eispartikel aus Cyanoacetylen (HC3N) – einem Molekül, das auch in gasförmiger Form in der Titanatmosphäre reichlich vorkommt.

In den Polarregionen des Titan sinken die Eispartikel dann in tiefere Lagen der Gashülle ab. Dabei werden sie von einer Schicht aus Cyanwasserstoff (HCN) überzogen, wie die Forscher erklären. Trifft nun ultraviolettes Licht aus der Sonneneinstrahlung auf diese Komposit-Partikel, kommt es in ihrem Inneren zu einer Reihe von chemischen Reaktionen. Diese wandeln die Eispartikel unter Abgabe von Wasserstoff in Kristalle aus Dicyanoethin um – und die Dicyanoethin-Wolke ist geboren.

Eine polare Straosphärenwolke über der irdischen Arktis - in diesen Eiswolken laufen ebenfalls chemische Reaktionen in den Eispartikeln ab. © NASA/JPL

Die Idee einer solchen photochemischen Umwandlung von Eiskristallen ist dabei nicht aus der Luft gegriffen. Denn auch auf der Erde gibt es Ähnliches – in den polaren Stratosphärenwolken. Dort reagieren Chlorverbindungen aus Treibgasen unter dem Einfluss von Sonnenlicht mit Eispartikeln und setzen dabei das ozonzerstörende Chlor frei.

„Es ist ziemlich spannend, dass wir nun auch auf dem Titan ein Beispiel solcher Feststoff-Reaktionen gefunden haben könnten“, sagt Anderson. (Geophysical Research Letters, 2016; doi: 10.1002/2016GL067795)

(NASA/Jet Propulsion Laboratory, 26.09.2016 – NPO)