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Sind Ozeanwellen für Enceladus’ Tigerstreifen verantwortlich?
Vier fast parallele Risse am Südpol des Saturnmonds Enceladus liegen auffallend regelmäßig auseinander. Ein neues Modell zeigt nun, dass durch das Taumeln der Eiskruste ausgelöste Wellen im verborgenen Ozean Wärme gezielt unter dem Eis freisetzen könnten. Dieser Prozess könnte die rund 35 Kilometer großen Abstände der sogenannten Tigerstreifen erklären und zugleich Hinweise auf die Schichtung des Ozeans liefern.
Cambridge (U.S.A.). Unter der Eiskruste des Saturnmonds Enceladus liegt ein globaler Ozean, aus dem Wasser und andere Stoffe durch vier lange Spalten am Südpol ins All gelangen. Diese sogenannten Tigerstreifen sind jeweils rund 130 Kilometer lang und liegen ungefähr 35 Kilometer auseinander. Warum die Risse so regelmäßig angeordnet sind, ist trotz mehrerer Erklärungsmodelle noch nicht abschließend geklärt.
Frühere Modelle zur Entstehung der Tigerstreifen konzentrierten sich vor allem auf Vorgänge in der Eiskruste, darunter Spannungen, Abkühlung und die Ablagerung von ausgeworfenem Eis. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Daniel Yi-Wei Abdulah haben nun untersucht, ob auch der darunterliegende Ozean das regelmäßige Muster mitgeprägt haben könnte.
Ausgangspunkt des Modells ist ein bereits vorhandener erster Riss, dessen Unterseite eine unebene Topografie an der Grenze zum Ozean erzeugt. Weil Enceladus den Saturn auf einer leicht elliptischen Bahn umkreist, taumelt seine vom festen Inneren entkoppelte Eisschale geringfügig hin und her. Die gemessene Libration beträgt etwa 0,09 bis 0,12 Grad und bewegt die Unterseite des Eises im Bereich der Tigerstreifen relativ zum Ozean.
Diese Bewegung kann nach den Berechnungen interne gravito-inertiale Wellen anregen. Dabei handelt es sich um Wellen im Ozean, deren Ausbreitung sowohl von der Schwerkraft als auch von der Rotation des Mondes beeinflusst wird. Sie laufen vom ersten Riss schräg zum Meeresboden, werden dort reflektiert und treffen in einiger Entfernung wieder auf die Unterseite der Eiskruste.
Für die Analyse haben die Wissenschaftler eine lineare Wellenanalyse mit nichtlinearen Simulationen des MIT General Circulation Model (MITgcm) verglichen. Beide Ansätze erzeugen unter passenden Bedingungen gebündelte Wellenbahnen, die in regelmäßigen Abständen an die Eisunterseite zurückkehren. Beim Auftreffen könnten die Wellen brechen und einen Teil ihrer Energie als Wärme abgeben, wodurch das Eis lokal dünner wird und leichter aufreißen kann.
Entscheidend für den Abstand zwischen zwei Auftreffpunkten sind dem Modell zufolge vor allem die Ozeantiefe und seine Dichteschichtung. Für eine südpolare Ozeantiefe von 30 bis 60 Kilometern müsste die Brunt-Väisälä-Frequenz, ein Maß für die stabile Schichtung des Wassers, unter 4,6 × 10⁻⁵ s⁻¹ liegen, damit die berechneten Wellen ungefähr den beobachteten Abstand von 35 Kilometern treffen.
Auch energetisch könnte der Mechanismus nach den Modellrechnungen ausreichen. Die linearen Berechnungen und Simulationen ergeben bei der heute gemessenen Libration eine Wellenleistung von bis zu 7,8 Watt pro Meter. In Verbindung mit einer Rückkopplung, bei der wärmeres und dünneres Eis leichter weiter verformt wird, könnte daraus in der Größenordnung von einer Million Jahren ein zusätzlicher Riss entstehen.
Die Studie liefert damit eine physikalisch plausible Erklärung dafür, warum mehrere Risse nahezu parallel und ähnlich weit voneinander entfernt liegen. Sie belegt aber nicht, dass solche Wellen die Tigerstreifen tatsächlich erzeugt haben. Weder die angenommenen Strukturen an der Unterseite des Eises noch die vorhergesagten Wellen im verborgenen Ozean wurden direkt beobachtet. Zudem lösen die Simulationen das Wellenbrechen an der Eis-Ozean-Grenze nicht auf und bestimmen deshalb nicht, welcher Anteil der Wellenenergie tatsächlich als lokale Wärme im Eis ankommt.
Zudem ersetzt der neue Ansatz die bisherigen Modelle der Eiskruste nicht zwingend. Die Autoren halten ihr Wellenmodell ausdrücklich für vereinbar mit Mechanismen, be