Sodium salts in the plume of Enceladus

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1 Sodium salts in the plume of Enceladus a comparison of two studies June 5 th, 2013 Wolfgang Sakuler

2 Enceladus Eigenschaften: 6. größter Saturnmond Am 28. Aug von W. Herschel entdeckt Große Halbachse: km Umlaufzeit : 1,37 d Albedo : 0,99 (!) höchste Albedo im Sonnensystem Durchmesser : 504 km Dichte : 1,61 g/cm 3 sid. Rotation : 1,37 d Gebundene Rotation Quelle: June 5 th, 2013 Seite 2

3 Enceladus Eigenschaften: Masse: 1,1*10 20 kg 2:1 Resonanz mit Dione (außen) 3:2 Resonanz mit Mimas (innen) 4:3 Resonanz mit Thethys (außen) Oberflächentemperatur: ~ C Quelle: NASA/JPL, Aufnahme: Voyager 2 June 5 th, 2013 Seite 3

4 Enceladus Eigenschaften: Innerer Aufbau: Aus Wassereis zusammengesetzt 3. größte Dichte aller Saturnmonde Im Inneren dichteres Material z.b. Silikate -> differenzierter Körper Quelle: NASA June 5 th, 2013 Seite 4

5 Enceladus - Kryovulkanismus Einer der geologisch aktivsten Himmelkörper im Sonnensystem Aktive Zone in Südpol-Region Oberfläche um C wärmer Energiequellen: Kombination Radioaktivität + Gezeitenkräfte (2:1 Resonanz mit Dione) -> Reibung -> Erwärmung Quelle: Artwork, Courtesy of NASA/JPL/Caltech June 5 th, 2013 Seite 5

6 Enceladus - Kryovulkanismus Geysire Wasserhaltige Gasfontänen Fontäne bis 750 km bis zu Überschallgeschw. Fluchtgeschw. nur 866 km/h Quelle: NASA / JPL / Space Science Institue Quelle: NASA June 5 th, 2013 Seite 6

7 Enceladus - Kryovulkanismus Quelle: June 5 th, 2013 Seite 7

8 Enceladus - Kryovulkanismus Quelle: E-Ring ( Enceladus-Ring ) km breit, Entfernung von Saturn: km Diffuse Scheibe aus mikroskop. Kleinen Eis- od. Staubteilchen Lebensspanne zw Mio. Jahre -> muss ständig erneuert werden June 5 th, 2013 Seite 8

9 Enceladus - Kryovulkanismus E-Ring ( Enceladus-Ring) Annahme: Material von kryovulkan. Regionen von Enceladus sind Quelle der Ringpartikel Quelle: June 5 th, 2013 Seite 9

10 Enceladus - Missionen Voyager 1 & 2 Vorbeiflüge 1980/1981 Cassini: 1997: Start 2004: Eintritt in Saturn Orbit 2005: Erster Vorbeiflug an Enceladus (1577 km) 2008: Vorbeiflug in nur 23 km Quelle: June 5 th, 2013 Seite 10

11 Enceladus - Missionen Cassini Enceladus Vorbeiflug 2008 Flug durch frisch ausgestoßene Partikel Quelle: NASA Messungen mit Cosmic Dust Analyser (CDA) Ion and Neutral Mass Spektrometer Quelle: NASA June 5 th, 2013 Seite 11

12 Enceladus - Missionen Cassini Enceladus Vorbeiflug 2008 Meßergebnisse: Höhere Dichte von Wasserdampf, CO 2, CO Organische Materialien CH 4, C 2 H 2, C 2 H 6, C 3 H 8 Chem. Zusammensetzung ähnlich Kometen -> Enceladus besitzt Wärme, Wasser, organ. Chemikalien => einige wesentliche Bausteine für Entwicklung von Leben Quelle: June 5 th, 2013 Seite 12

13 E-Ring Meßdaten CDA Massenspektren: Eispartikeln in E-Ring enthalten Na-Salze (NaCl, Na 2 CO 3 ) Interpretation: Auf Enceladus unterirdischer salzhaltiger Ozean ( Soda-Ozean ) Ozean in Kontakt mit felsigen Kern -> Na-Salze aus Gestein gelöst Kontroverse: (Pro-) Studie von Frank Postberg et al., Sodium salts in E-ring ice grains from an ocean below the surface of Enceladus, Nature (2008). (Contra-) Studie von Nicholas Schneider et al. No sodium in the vapour plumes of Enceladus, Nature (2008). June 5 th, 2013 Seite 13

14 (Pro-) Studie Na-Salze in E-Ring Soda-Ozean Dr. Frank Postberg CDA Daten: 3 Typen von CDA Massenspektren: Institut für Geowissenschaften Universität Heidelberg Max Planck Institut für Kernphysik Heidelberg Quelle: Type I: nahezu reines Wassereis mit Spuren von Na und K Type II: Wassereis mit organ. Verbindungen od. Silikaten und Spuren von Na, K Type III: Wassereis mit reichlich vorhandenen Na-Salzen Type I + Type II > 90% der Spektren Type III ~ 6% der Spektren June 5 th, 2013 Seite 14

15 (Pro-) Studie Na-Salze in E-Ring Soda-Ozean Type I Spektrum: Wasser-Cluster Ionen H(H 2 O) n + Na-Hydrat Ionen: Na(H 2 O) n + Verhältnis Na/H 2 O ~ 5*10-8 5*10-5 Type III Spektrum: Na-reiche Wassereis Teilchen Wenig reines H 2 O, wenig Na-Hydrat Ionen Na(NaOH) n+, Na(NaCl) n+, Na(Na 2 CO 3 ) + Na(Na 2 CO 3 ) + Verhältnis Na/H 2 O > 10-3 Quelle: NATURE, Vol 459, 25 June 2009 June 5 th, 2013 Seite 15

16 (Pro-) Studie Na-Salze in E-Ring Soda-Ozean CDA Messresultate Laborexperiment Quelle: NATURE, Vol 459, 25 June 2009 June 5 th, 2013 Seite 16

17 (Pro-) Studie Na-Salze in E-Ring Soda-Ozean (Pro-) Studie basiert auf in situ Daten (Pro-) Studie favorisiert unterirdischen Soda Ozean auf Enceladus Ozean reich an Bikarbonaten und/oder Karbonaten Ozean in direktem Kontakt mit felsigem Kern von Enceladus Interpretation wird gestützt durch Anwendung eines Flüssigkeits-Dispersions-Modell Quelle: NATURE, Vol 459, 25 June 2009 June 5 th, 2013 Seite 17

18 Studie Na-Salze in E-Ring Quelle: NATURE, Vol 459, 25 June 2009 June 5 th, 2013 Seite 18

19 (Contra-) Studie No sodium in vapour plumes These: Ursprung des Wasserdampfs und Eispartikel in den Eruptionen auf Enceladus ist kein Ozean, sondern Eis, das entweder geschmolzen ist, oder durch tektonische Bewegungen zermalmt wurde. Belege/Hinweise: Autoren versuchen, über spektroskopische Untersuchen, die am Boden auf der Erde stattfinden, obere Schranken für Na/H 2 0 Mischungsverhältnis in den Dampf-Plumes anzugeben, die weit unterhalb des für einen Soda Ozean erwarteten Wertes liegt June 5 th, 2013 Seite 19

20 (Contra-) Studie No sodium in vapour plumes Messung: Untersuchung von Na D-Emissionslinien (589,0, 589,6 nm) 10m Keck 1 Telescope, HIRES Spektrometer 3,9m Anglo-Australian Telescope (AAT), UCLES Spektrometer Quelle: Schneider, et al., NATURE, Vol 459, 25 June 2009 June 5 th, 2013 Seite 20

21 (Contra-) Studie No sodium in vapour plumes Quelle: Schneider, et al., NATURE, Vol 459, 25 June 2009 June 5 th, 2013 Seite 21

22 (Contra-) Studie No sodium in vapour plumes Resultate: Obere Schranke für atomares Na: Na/H 2 O < 4* mal kleiner als Verhältnis im Na-reichen Ozean-Modell Na/H 2 O ~ 2*10-3 Obere Schranke für molekulares Na: Na/H 2 O < 7* mal kleiner als Verhältnis im Na-armen Ozean-Modell Na/H 2 O ~ 2*10-4 June 5 th, 2013 Seite 22

23 (Contra-) Studie No sodium in vapour plumes Resultate: Niedriger Na Gehalt in Wasserdampf => Plausible Quellen für Plumes: Dampf resultiert durch Verdampfen eines Flüssigkeits-Reservoirs mit niedrigem Salz-Gehalt, durch Sublimation von warmen Eis, Zersetzung von Einschlüssen, d.h. es gibt keinen Ozean, sondern nur Pfützen, die unter dem Eis nahe der Oberfläche liegen Dampf mit niedrigem Na-Gehalt stammt zwar von stark salzhaltigem Ozean, jedoch nur falls Verdampfung nahe dem Gleichgewicht an der Oberfläche eines großen Wasser-Reservoirs stattfindet June 5 th, 2013 Seite 23

24 Zusammenfassung Eispartikeln in Saturns E-Ring beinhalten Na-Salze Material im E-Ring stammt aus kryovulkanischen Ausbrüchen auf Enceladus Unterschiedliche Interpretation der Daten: (1) salzhaltige Eispartikeln entstammen aus unterirdischem Soda Ozean, der mit felsigem Kern verbunden ist (2) es existiert kein solcher Ozean, Quelle ist geschmolzenes Eis, od. Zersetzung von Einschlüssen aufgrund tektonischer Bewegungen, d.h. es gibt nur Pfützen unter dem Eis nahe der Mond-Oberfläche June 5 th, 2013 Seite 24

25 Literatur Postberg, F., et al., Sodium salts in E-ring ice grains from an ocean below the surface of Enceladus, Nature, Vol 459, pp1098, Schneider, N.M., et al., No sodium in the vapour plumes of Enceladus, Nature, Vol 459, pp1102, June 5 th, 2013 Seite 25