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Plutos Chemie

Die Information, die die Wissenschaftler bisher von der Plutomission New Horizons [1] erhalten haben, ergeben einen völlig neuen Blick auf die Geschichte des Kleinplaneten [1], seine Entwicklung und die Wechselwirkung zwischen seiner Oberfläche und der Atmosphäre. Insbesondere hat diese Information zu neuen Fragen über die kleineren Körper im äußeren Sonnensystem [1] geführt.

Eisige Zwergplaneten wie Pluto [1] sind Relikte der Bildung des Planetensystems [1] vor über vier Milliarden Jahren. Wahrscheinlich bildeten sich aus diesen kleinen Körpern später die größeren äußeren Planeten [1]; daher können sie uns wichtige Information über die Bildung des Sonnensystems liefern.

Die Plutoatmosphäre
Eine der interessantesten Entdeckungen ist die Existenz von Stickstoffgas [1] in der Pluto-Eiswelt. Die Aufnahmen zeigen weitere neue Oberflächenstrukturen auf der Plutooberfläche und eine von (molekularem) Stickstoff [1] dominierte Oberfläche und Atmosphäre.

Aufgrund der niedrigen Oberflächenschwerkraft [1] erstreckt sich Plutos [1] Atmosphäre über einen weiten Bereich.

Üblicherweise würde man vermuten, dass die geringe Masse des Pluto jede Stunde Hunderte Tonnen atmosphärischen Stickstoffs in den Weltraum entkommen läßt. In diesem Fall wäre der Großteil des Stickstoffs in der Plutoatmosphäre bereits in einem Bruchteil des Alters des Pluto verschwunden. Die Verlustrate des Stickstoffs hängt von der Dichte und der Temperatur des Pluto ab.

pluto

Abb. 1 Größenvergleich zwischen Pluto, seinem Mond Charon [1] und Australien.
© NASA/JPL

 

Woher stammt der Stickstoff auf der Plutoatmosphäre?
In einer Veröffentlichung [3] untersuchten zwei Forscher unterschiedliche Ursachen wie beispielsweise Kometeneinschläge [1] und deren Einfluss auf das Vorkommen von Stickstoff auf Pluto. Jedoch würde dies eine tiefe Schicht Stickstoffeis [1] an der Plutooberfläche erfordern.

Möglicherweise könnte eine geologische Aktivität ausreichend viel Stickstoff aus dem Inneren des Kleinplaneten an die Oberfläche befördern. Der dort befindliche atomare Stickstoff könnte durch chemische Prozesse in molekularen Stickstoff umgewandelt worden und danach zur Oberfläche gelangt sein.

Neueste Aufnahmen legen nahe, dass aus dem Plutoinneren Wärme nach außen strömt, beispielsweise durch die auffälligen dunklen Gebiete; an diesen Stellen scheint die Oberfläche aufzubrechen. Wahrscheinlich handelt es sich dabei um aktive Geysire [1] oder Kryovulkanismus [1].

Methanflüsse
Zahlreiche Aufnahmen der Oberfläche scheinen auf Flüsse von Stickstoff und Methan [1] hinzuweisen. Die Forscher sind bereits durch die 3.000 Meter hohen Wassereis-Berge [1] auf der Plutooberfläche verdutzt, Flüsse aus Methan können sie bisher nicht erklären.

Stickstoff und Methan kennen wir auf der Erde als Gase; Wassereis [1] gehört insbesondere im Sommer zu unserem Alltag. Wie jedoch funktioniert ein Fluß aus Methaneis in einer Eiswelt? An einem sonnigen Tag erwärmt sich die Plutooberfläche bis auf rund -229 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur sind sowohl Wasser-, Methan- als auch Stickstoffeis fest, also gefroren.

Wie können diese festen Eissorten ihre Atome anordnen, so dass sie "fließen" können? Die hexagonale Eiskristallstruktur [1] erzeugt auf der Erde wunderschöne sechsseitige Schneeflocken. Der Grund, weshalb Eis auf der Erde diese Strukturen ausbildet, ist die Art und Weise wie sich Wasserstoffatome [1] und Sauerstoffatome [1] miteinander verbinden.

Diese (starre) Wasserstoffbindung [1] ist der Hauptgrund einiger spezieller Eigenschaften von Eis. Insbesondere bei den niedrigen Temperaturen - wie sie auf Pluto herrschen - ist Wassereis besonders "stark" - ähnlich einem Stahlgerüst in einem Hochhaus: damit kann man Berge auftürmen.

Allerdings können diese Berge auf dem Pluto nicht wie auf der Erde fließen, dazu ist es viel zu kalt. Gletscher auf der Erde bewegen sich auf unterschiedliche Weise; das kann nur geschehen, wenn die Wassermoleküle ausreichend viel Energie besitzen um ganz leicht zu schwingen. Auf Pluto funktioniert das allerdings nicht.

Die Wasserstoffbindungen im Methaneis funktionieren anders: Methan besitzt zu viele Wasserstoffatome. Die Struktur des Methanmoleküls ist einfach. In festem Methan sind alle Bestandteile dicht aneinander gepackt und können sich nicht mehr mit einem Nachbarmolekül verbinden. Sie drehen sich wie ein Ball in einem Schwimmbad. Die einzige Kraft, die die Moleküle zusammenhält ist die schwache Van-de-Waals-Kraft [1], ähnlich der Schwerkraft bei Atomen. Daher gleicht festes Methan einem Pudding;
Wenn dieser Methanpudding "wackelt", kehrt er niemals in seine ursprüngliche Form zurück. Es existiert sozusagen kein Gitter, das die Methanmoleküle zusammenhält, auch nicht bei den geringen Temperaturen auf der Plutooberfläche.

Stickstoff verhält sich auf Pluto ähnlich wie Methan. In fester Form bildet es Moleküle aus jeweils einem Paar Stickstoffatomen. Diese Stickstoffpaare drehen sich ebenso wie die Methanmoleküle und gleichen ebenfalls einem eisigen Wackelpudding.

Mischen sich diese unterschiedlichen Eissorten, können sie interessante Eigenschaften besitzen und wahrscheinlich Oberflächenstrukturen bilden wie man sie auf Pluto beobachtet.


Über die weiteren Ergebnisse und Aufnahmen der Plutomission werden wir Sie auf dem Laufenden halten.

 

Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

 

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

 

Quellenangaben:

[1] Mehr Information über astronomische Begriffe
www.wikipedia.de

[2] Weitere Information zu Pluto und New Horizons
http://www.nasa.gov/newhorizons
http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/
bzw.
http://pluto.jhuapl.edu

[3] Stern, A., et al., ApJL (July 15, 2015)

 

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