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Thursday, April 9, 2020

Das Lied von Eis und Feuer: Vulkane im Weltraum

Wenn es um Vulkane im All geht, sprechen wir nicht vom Planeten Vulkan, einem hypothetischen Planeten innerhalb der Merkurbahn, sondern tatsächlich von vulkanischen Aktivitäten im All. Schon auf der Erde gehören Vulkane zu den gewaltigsten Phänomenen überhaupt, doch im Kosmos nehmen sie noch ganz andere Ausmaße an. Wir begeben uns nun auf eine Reise quer durchs Sonnensystem und schauen uns die gewaltigsten Vulkane der Planeten an. Denn wo Vulkane sind, könnten auch organische Moleküle und Lebewesen nicht fern sein.

Vulkanismus beim Merkur

Der Merkur ist ein geheimnisvoller Planet, er umkreist die Sonde so schnell, dass es lange unmöglich war, ihn mit Raumsonden zu erforschen. Zudem umkreist er die Sonne in extremer Nähe, Raumsonden müssen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius ertragen. So haben Merkur erst zwei Raumsonden erforscht, eine Dritte ist derzeit auf dem Weg. Daher ist Merkur auch heute immer für eine Überraschung gut. Genau so eine Überraschung war auch die Entdeckung von aktiven Vulkanen auf dem Merkur.

Die NASA-Sonde Messenger zeigte uns, dass die Merkuroberfläche alles andere als trist und tot ist, wie wir bisher dachten. Stattdessen entdeckte sie zahlreiche erstarrte Lavaflüsse und bewies die Existenz riesiger Magmakammern unterhalb der Oberfläche. Doch noch mehr: Man fand tatsächlich einen aktiven Vulkan und auch eisenarmes Material in Einschlagskratern, das durch vulkanische Aktivitäten entstanden ist. Merkur hat eine Besonderheit: Er hat einen überproportional großen Eisenkern, der 75% des Radius ausmacht, also größer als der Erdmond ist. Material aus dem Innern des Planeten müsste also eigentlich viel eisenhaltiger sein. Das ist nur eines der vielen Rätsel dieses Planeten.

Vulkanismus bei der Venus

Die Venus ist so höllisch und heiß, dass zur klassischen Vorstellung dieses Planeten natürlich auch Vulkane gehören. Doch der Planet ist von einem dicken Schleier aus Wolken umgeben, lange hatte man keine Ahnung, was sich darunter befindet und auch heute ist das Feststellen von Oberflächenmerkmalen wie Vulkanen eine Herausforderung. Dass die Venus einmal sehr aktiv war, gilt mittlerweile als bewiesen, sowjetische Raumsonden etwa fanden riesige Lavaströme und auch Vulkane, der Größte von ihnen, Maat Mons, ist über acht Kilometer hoch. Auf der Venus gibt es jedoch auch ganz neue Arten von Vulkanen, die wir auf der Erde nicht haben, etwa sogenannte Pancake Domes, das sind sehr flache Kuppeln, die aus aufsteigendem Magma entstanden.

Die Frage, ob es auch heute noch Vulkanismus auf der Venus gibt, ist nicht final geklärt, doch Daten der europäischen Raumsonde Venus Express und auch der Pioneer Venus deuten stark darauf hin. In der Atmosphäre der Venus gibt es Spuren von Schwefeldioxid, einem für Vulkanausbrüche typischen Gas. Diese sind allerdings nicht gleichmäßig verteilt, an einigen Stellen war eine viel höhere Konzentration von Schwefeldioxid zu messen. Eine ähnliche Verteilung trifft auf Methan zu, womöglich ist sogar der Maat Mons selbst noch aktiv. Ob es aktive Vulkane auf der Venus gibt, müssen zukünftige Raumsonden klären, denn es gab lange keine Landungen mehr auf der Venus. Erst 2025 soll Venera D mit einem Orbiter, einem Ballon und einem Lander, der mehrere Stunden auf der Oberfläche funktionieren soll, zur Venus fliegen und die Frage nach der vulkanischen Aktivität endgültig klären.

Vulkanismus bei der Erde

Auch auf der Erde gibt es gigantische Vulkane, schließlich ist die Erde der größte Gesteinskörper des Sonnensystems, was zu intensiver Plattentektonik führt. Viele Vulkane befinden sich im sogenannten zirkumpazifischen Feuergürtel, einer 40.000 Kilometer langen Zone, in der sich zwei Drittel der im Holozän ausgebrochenen Vulkane befinden. Es gibt zahlreiche Supervulkane, deren Ausbrüche globale Folgen haben können, etwa den Yellowstone-Vulkan oder den Toba, der gemäß der Toba-Katastrophentheorie die Ausbreitung des Menschen verlangsamt hat.

Der einzige irdische Vulkan, der jedoch mit den kosmischen Giganten mithalten kann, ist das Tamu-Massiv in der Nähe Japans, der größte Vulkan der Erde und auch einer der größten des Sonnensystems. Er hat eine Grundfläche von etwa 300.000 Quadratkilometern – das entspricht der Grundfläche der Britischen Inseln, seine Höhe beträgt etwa 30 Kilometer. Jedoch liegt seine Spitze zwei Kilometer unter der Wasseroberfläche und aufgrund der enormen Masse ist ein großer Teil des Vulkans in die Erdkruste eingesackt, weshalb den größten Vulkan der Erde kaum jemand kennt, obwohl er fast genauso groß ist wie Olympus Mons, der größte Vulkan auf dem Mars.

Auf dem Mond der Erde gibt es heute keine Vulkane mehr, doch die mit bloßem Auge sichtbaren Strukturen wie etwa die dunklen Mare zeugen von einer Zeit, in der das Innere des Mondes noch flüssig war und auf seiner Oberfläche auch Vulkane ausbrachen. Die Lava ergoss sich in die Tiefebenen, die durch Asteroideneinschläge entstanden und erstarrte. Nach der Lehrbuchmeinung erlöschten die letzten Vulkane auf dem Mond vor einer Milliarde Jahren, doch in letzter Zeit wurden auch Anzeichen auf sehr junge Vulkane auf dem Mond entdeckt, die vor 50 bis 100 Millionen Jahren ausbrachen. Sicher ist jedoch, dass es heute nur noch auf der Erde Vulkane gibt, der Mond ist geologisch tot.

Vulkanismus beim Mars

Das Tamu-Massiv übertreffen nur die gigantischen Vulkane des Mars, etwa der Olympus Mons, der größte Vulkan und zweitgrößte Berg des Sonnensystems. Er ragt etwa 26 Kilometer über die umliegende Tiefebene hervor, sein Volumen ist 25% größer als das des Tamu-Massivs, denn sein Durchmesser beträgt fast 600 Kilometer. Doch wieso gibt es auf dem Mars so viel größere Vulkane als auf der Erde, bzw. wieso liegen diese auf der Erde tief im Ozean?

Das liegt zum einen an der Plattentektonik, bzw. eben der Abwesenheit von Plattentektonik auf dem Mars. Denn auf der Erde bewegt sich die Erdkruste über den Erdmantel. Gibt es also einen Hotspot, an dem Magma austritt, wandert die Erdkruste darüber hinweg. Somit wächst ein Vulkan immer nur für eine recht kurze Zeit, bevor die Platte weiterwandert und der nächste Vulkan entsteht – so entstehen Vulkangürtel wie im Pazifik. Auf dem Mars jedoch gibt es keine Platten. Gibt es dort einen Hotspot, bleibt dieser stets am selben Punkt und somit kann ein Vulkan über Jahrmillionen wachsen.

Doch es gibt einen weiteren Grund. Auf der Erde kann es keine Berge geben, die deutlich höher sind als zehn Kilometer. Das liegt daran, dass die Berge ab dieser Höhe so schwer werden, dass die auf sie wirkende Gravitation stärker ist als die Bindungskraft des Materials, das führt dazu, dass sie in der Erdkruste einsacken und wieder kleiner werden – wie es mit dem Tamu-Massiv der Fall war. Doch auf dem Mars ist die Gravitation an der Oberfläche deutlich geringer, sie beträgt nur etwa ein Drittel der Erdgravitation, Berge haben auf dem Mars also ein viel geringeres Gewicht und können daher fast bis ins All reichen. 

Olympus Mons ist vermutlich erloschen, doch wahrscheinlich gibt es auch noch aktive Vulkane auf dem Mars. In der Nähe dieser Vulkane könnte die Temperatur über den Gefrierpunkt von Wasser steigen. So könnte es kleine Mengen von Wasser geben und somit womöglich auch außerirdisches Leben.

Vulkanismus im Hauptgürtel

Die wohl bizarrsten Vulkane des Sonnensystems gibt es jedoch nicht auf Planeten, sondern auf Asteroiden. Viele davon sind im Hauptgürtel zwischen Mars und Jupiter zu finden. Die spannendsten Zeiten haben diese jedoch vermutlich bereits hinter sich. Auf mittelgroßen Asteroiden gab es wohl früher und vielleicht auch noch heute Vulkane, die flüssiges Eisen speien. Komplett geschmolzene mittelgroße Asteroiden erstarren nach der Entstehung oder einem heftigen Einschlag nämlich von Außen nach Innen – es gibt also eine feste Oberfläche und darunter einen brodelnden Magmaozean.

Wenn der Kern irgendwann auch erstarrt, geschieht dies jedoch an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich schnell. So entstehen lange Gebilde aus festem Material umgeben von geschmolzenem Eisen. Stoffe, die später erstarren, wie etwa Schwefel, reichern sich dort an und senken die Dichte. Auf diese Weise entstehen im Kern kleine Kammern flüssigen Materials, in denen der Druck so hoch werden kann, dass das flüssige Eisen nach oben drängt und die Kruste durchbricht.

Doch auf auf deutlich größeren Asteroiden im Hauptgürtel gibt es Vulkane, etwa auf dem Zwergplaneten (1) Ceres. Allerdings stoßen wir dort auf eine ganz neue Art von Vulkanen. Der etwa fünf Kilometer große Vulkan Ahuna Mons etwa speit kein Magma, sondern Eis, bzw. Substanzen, die bei geringeren Temperaturen schmelzen, wie etwa Methan, Wasser oder Kohlendioxid. Lange wurden diese Kryovulkane nur theoretisch postuliert: Durch Gezeitenkräfte oder den Zerfall radioaktiver Elemente müsste auf manchen Himmelskörpern genug Hitze entstehen, um Eis schmelzen zu lassen, das bei der Eruption im Vakuum des Alls erstarrt und sich um den Krater herum ablagert. Auch in noch größerer Entfernung zur Sonne gibt es allerdings noch Kryovulkane.

Vulkanismus beim Jupiter

Der Jupiter ist ein Gasplanet und daher gibt es auf ihm natürlich keine Vulkane – dafür auf seinen Monden umso mehr. Der Jupitermond Io ist der vulkanischste Himmelskörper im Sonnensystem, auf dem kleinen Mond gibt es etwa 400 Vulkane. Durch die enorme Größe des Mutterplaneten Jupiter wird Io wie ein Teigklumpen durchgeknetet, was zu enormer Gezeitenhitze führt. Diese Hitze reicht jedoch nicht aus, die durch Raumsonden wie Voyager 1, Cassini-Huygens, New Horizons und natürlich Galileo beobachteten Aktivitäten zu erklären. Dazu gehören riesige Seen aus flüssigem Schwefel, aktive Vulkane wie Ra Patera und Loki Patera und hunderte Kilometer lange Lavaströme. Das bedeutet auch, dass Io ein flüssiges Inneres haben muss.

Auf Io sind die Vulkanausbrüche wesentlich spektakulärer als irgendwo anders im Sonnensystem, denn auf der Erde holt die Gravitation den Auswurf zurück zur Erde, was zum berüchtigten Trümmerregen führt. Dadurch entsteht der berüchtigte Trümmerregen. Auf dem Io ist die Gravitation jedoch wesentlich schwächer als hier. Die Flammen schießen dort also bis ins All, wo sie schließlich ersticken. Ein Vulkanausbruch auf dem Io ist noch aus großer Entfernung sichtbar, selbst von der Erde lässt er sich als helles blaues Licht beobachten. Auch auf dem Jupitermond Ganymed, dem größten Mond des Sonnensystems, gibt es Vulkane, die jedoch flüssiges Wasser speien, das nach der Explosion gefriert.

Vulkanismus beim Saturn

Auch die Monde des Saturns sind geologisch sehr interessant. Der Titan etwa, über den ich hier etwas mehr geschrieben habe, war einer der ersten Orte, an denen Kryovulkane vermutet wurden und Huygens fand tatsächlich auch Anzeichen darauf. Noch viel interessanter sind jedoch die hydrothermalen Quellen am Südpol des Saturnmondes Enceladus, denn diese speien vermutlich Wasser direkt aus dem möglicherweise lebensfreundlichen subglazialen Ozean des Mondes.

Das nutzte die Raumsonde Cassini, um direkt durch eine solche Fontäne hindurchzufliegen und nach Spuren außerirdischen Lebens zu suchen. Tatsächlich fand Cassini komplexe organische Moleküle und Nährstoffe im Wasser. Eine weiterentwickelte Sonde könnte die Fontänen nutzen, um direkt nach Leben zu suchen. Denn wo vulkanische Aktivität ist, ist auch genug Energie um Leben zu ermöglichen.

Vulkanismus beim Uranus

Nicht überall im Sonnensystem ist Vulkanismus im All aufzufinden. Auf den Monden des Uranus etwa findet man vielfältige Oberflächenstrukturen, zum Beispiel die höchste Klippe des Sonnensystems, allerdings nach aktuellem Stand keine Vulkane.

Vulkanismus beim Neptun

Der Neptun hat nur einen bekannten vulkanisch aktiven Mond, den Triton. Auf Triton gibt es Geysire, die flüssigen Stickstoff und Wasser in die Höhe speien. Mittlerweile vermutet man, dass auch diese von einem globalen subglazialen Ozean gespeist werden. Sie schießen den Auswurf acht Kilometer in die Höhe, dort gefriert er und geht als Schnee nieder.

Eine alternative Erklärung ist, dass das schwache Sonnenlicht, das die dünne Atmosphäre durchquert, unterhalb der Eiskruste Wasserdampfreservoire erzeugt, die durch den Druck irgendwann explodieren und zu Eruptionen führen. Was zutrifft, die Wasserdampfexplosionen oder der subglaziale Ozean, das ist noch unsicher. Doch insgeheim hoffen wir doch alle etwas auf letzteres. Denn nur eine solche Umgebung könnte primitives Leben ermöglichen.

Vulkane im Kuipergürtel

Vermutlich gibt es auch auf noch weiter entfernten Himmelskörpern Vulkane, etwa auf dem Zwergplaneten Quaoar. Dort gibt es vermutlich Ammoniak, wenn sich dieses mit Wasser vermischt, kann es bereits durch die radioaktive Zerfallswärme genug unter Druck gesetzt werden, um in Vulkanausbrüchen zu explodieren. Und auf unserem Lieblingszwergplaneten Pluto fand New Horizons Gletscher, Schnee und auch Kryovulkane. Auch hier wird ein subglazialer Ozean in Erwägung gezogen.

Vulkane außerhalb des Sonnensystems

Tatsächlich gibt es auch schon konkrete Anzeichen auf Vulkane auf Himmelskörpern anderer Sterne. Um den 550 Lichtjahre entfernten Gasriesen WASP-49b etwa wurden große Mengen an Kalium und Natrium entdeckt, was auf einen Exomond hindeutet, der noch aktiver ist als Io. Ich sehe derzeit keinen Grund anzunehmen, dass Vulkanismus nicht im gesamten Weltraum verbreitet ist und genauso sicher ist, dass Vulkanismus ein Indikator für Leben ist. Die Suche nach Vulkanismus ist auch die Suche nach Leben.

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