Forscher finden heraus, dass die Wellenaktivität auf Titan stark genug sein könnte, um die Küstenlinien von Seen und Meeren zu erodieren

Titan, der größte Mond des Saturn, ist der einzige andere Planetenkörper im Sonnensystem, auf dem es derzeit aktive Flüsse, Seen und Meere gibt. Diese außerirdischen Flusssysteme sind vermutlich mit flüssigem Methan und Ethan gefüllt, das in weite Seen und Meere fließt, von denen einige so groß sind wie die Großen Seen auf der Erde.

Die Existenz der großen Meere und kleineren Seen auf Titan wurde 2007 durch Bilder der NASA-Raumsonde Cassini bestätigt. Seitdem haben Wissenschaftler diese und andere Bilder nach Hinweisen auf die mysteriöse Flüssigkeitsumgebung des Mondes durchforstet.

Nun haben Geologen des MIT die Küstenlinien von Titan untersucht und durch Simulationen nachgewiesen, dass die großen Meere des Mondes wahrscheinlich durch Wellen geformt wurden. Bisher haben Wissenschaftler auf der Grundlage von Aufnahmen der Titanoberfläche aus der Ferne nur indirekte und widersprüchliche Anzeichen für Wellenaktivität gefunden.

Das MIT-Team untersuchte die Existenz von Wellen auf Titan auf eine andere Weise. Zunächst modellierten sie, wie ein See auf der Erde erodieren kann. Anschließend wandten sie ihre Modelle auf die Meere auf Titan an, um zu ermitteln, welche Form der Erosion die Küstenlinien auf Cassinis Bildern hervorgebracht haben könnte. Sie fanden heraus, dass Wellen die wahrscheinlichste Erklärung waren.

Die Forscher betonen, dass ihre Ergebnisse nicht endgültig seien. Um zu bestätigen, dass es auf Titan Wellen gibt, seien direkte Beobachtungen der Wellenaktivität auf der Mondoberfläche erforderlich.

„Aufgrund unserer Ergebnisse können wir sagen, dass, falls die Küstenlinien der Meere vor Titan erodiert sind, Wellen der wahrscheinlichste Grund dafür sind“, sagt Taylor Perron, Cecil und Ida Green Professor für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften am MIT.

„Wenn wir am Rande eines der Meere Titans stehen könnten, könnten wir Wellen aus flüssigem Methan und Ethan sehen, die ans Ufer schwappen und bei Stürmen gegen die Küste krachen. Und sie wären in der Lage, das Material zu erodieren, aus dem die Küste besteht.“

Perron und seine Kollegen, darunter Erstautorin Rose Palermo, eine ehemalige Doktorandin des MIT-WHOI Joint Program und Forschungsgeologin beim US Geological Survey, veröffentlicht ihr Studium in Wissenschaftliche Fortschritte. Zu ihren Co-Autoren gehören der MIT-Forscher Jason Soderblom, der ehemalige MIT-Postdoc Sam Birch, jetzt Assistenzprofessor an der Brown University, Andrew Ashton von der Woods Hole Oceanographic Institution und Alexander Hayes von der Cornell University.

„Einen anderen Kurs einschlagen“

Das Vorhandensein von Wellen auf Titan ist ein eher kontroverses Thema, seit Cassini Flüssigkeitskörper auf der Mondoberfläche entdeckte.

„Einige Leute, die versuchten, Anzeichen von Wellen zu erkennen, konnten keine sehen und sagten: ‚Diese Meere sind spiegelglatt‘“, sagt Palermo. „Andere sagten, sie hätten eine gewisse Rauheit auf der Flüssigkeitsoberfläche gesehen, waren sich aber nicht sicher, ob diese durch Wellen verursacht wurde.“

Wenn Wissenschaftler wissen, ob es in den Meeren um Titan Wellen gibt, können sie etwas über das Klima auf dem Mond erfahren, zum Beispiel über die Stärke der Winde, die solche Wellen erzeugen könnten. Informationen über die Wellen könnten Wissenschaftlern auch dabei helfen, vorherzusagen, wie sich die Form der Meere um Titan im Laufe der Zeit entwickeln könnte.

Anstatt in den Bildern von Titan nach direkten Anzeichen wellenartiger Strukturen zu suchen, musste das Team laut Perron „einen anderen Ansatz wählen und allein anhand der Form der Küstenlinie herausfinden, ob wir erkennen können, was die Küsten erodiert.“

Man geht davon aus, dass die Meere auf Titan entstanden, als steigende Flüssigkeitspegel eine von Flusstälern durchzogene Landschaft überfluteten. Die Forscher konzentrierten sich auf drei Szenarien, was als nächstes hätte passieren können: keine Küstenerosion; Erosion durch Wellen; und „gleichmäßige Erosion“, die entweder durch „Auflösung“ verursacht wurde, bei der Flüssigkeit das Material einer Küste passiv auflöst, oder durch einen Mechanismus, bei dem die Küste allmählich unter ihrem eigenen Gewicht abrutscht.

Die Forscher simulierten, wie sich die verschiedenen Küstenformen in jedem der drei Szenarien entwickeln würden. Um die durch Wellen verursachte Erosion zu simulieren, berücksichtigten sie eine Variable namens „Fetch“, die die physische Entfernung von einem Punkt an einer Küstenlinie zur gegenüberliegenden Seite eines Sees oder Meeres beschreibt.

„Die Wellenerosion wird durch die Höhe und den Winkel der Welle bestimmt“, erklärt Palermo. „Wir haben die Reichweite verwendet, um die Wellenhöhe abzuschätzen, denn je größer die Reichweite, desto größer die Distanz, über die der Wind wehen und die Wellen wachsen können.“

Um zu testen, wie sich die Küstenformen in den drei Szenarien unterscheiden würden, begannen die Forscher mit einem simulierten Meer mit überfluteten Flusstälern an seinen Rändern. Für die wellenbedingte Erosion berechneten sie die Entfernung von jedem einzelnen Punkt entlang der Küste zu jedem anderen Punkt und rechneten diese Entfernungen in Wellenhöhen um.

Anschließend führten sie ihre Simulation durch, um zu sehen, wie Wellen die ursprüngliche Küstenlinie im Laufe der Zeit erodieren würden. Sie verglichen dies damit, wie sich dieselbe Küstenlinie unter gleichmäßiger Erosion entwickeln würde. Das Team wiederholte diese vergleichende Modellierung für Hunderte verschiedener Formen von Küstenlinien.

Sie stellten fest, dass die Endformen je nach zugrunde liegendem Mechanismus sehr unterschiedlich waren. Besonders auffällig war, dass gleichmäßige Erosion aufgeblähte Uferlinien erzeugte, die sich überall gleichmäßig verbreiterten, sogar in den überfluteten Flusstälern, während Wellenerosion hauptsächlich die Teile der Uferlinien glättete, die großen Entfernungen ausgesetzt waren, und die überfluteten Täler schmal und rau machte.

„Wir hatten die gleichen Küstenlinien am Anfang und sahen, dass sich die endgültige Form bei gleichmäßiger Erosion deutlich von der bei Wellenerosion unterscheidet“, sagt Perron. „Wegen der überfluteten Flusstäler sehen sie alle ein bisschen wie das fliegende Spaghettimonster aus, aber die beiden Erosionsarten führen zu sehr unterschiedlichen Endpunkten.“

Das Team überprüfte seine Ergebnisse, indem es seine Simulationen mit echten Seen auf der Erde verglich. Dabei stellten sie fest, dass es zwischen Seen auf der Erde, von denen bekannt ist, dass sie durch Wellen erodiert wurden, und Seen, die durch gleichmäßige Erosion, wie zum Beispiel durch sich auflösenden Kalkstein, beeinflusst wurden, dieselben Unterschiede in der Form gab.

Die Form eines Ufers

Ihre Modellierung ergab klare, charakteristische Küstenlinienformen, abhängig vom Mechanismus ihrer Entwicklung. Das Team fragte sich dann: Wo würden die Küstenlinien von Titan in diese charakteristischen Formen passen?

Insbesondere konzentrierten sie sich auf vier der größten und am besten kartierten Meere Titans: das Kraken Mare, dessen Größe mit dem Kaspischen Meer vergleichbar ist, das Ligeia Mare, das größer ist als der Obere See, das Punga Mare, das länger ist als der Viktoriasee und den Ontario Lacus, der etwa 20 Prozent der Größe seines Namensvetters auf der Erde aufweist.

Das Team kartierte die Küstenlinien jedes Titanmeeres anhand der Radarbilder von Cassini und wendete dann seine Modellrechnung auf die Küstenlinien jedes einzelnen Meeres an, um herauszufinden, welcher Erosionsmechanismus ihre Form am besten erklärt. Sie fanden heraus, dass alle vier Meere perfekt in das wellengetriebene Erosionsmodell passten, was bedeutet, dass die Wellen Küstenlinien erzeugten, die den vier Meeren Titans am ähnlichsten waren.

„Wir haben festgestellt, dass die Form der Küstenlinien, wenn sie erodiert sind, eher auf Erosion durch Wellen zurückzuführen ist als auf gleichmäßige Erosion oder gar keine Erosion“, sagt Perron.

Die Forscher wollen herausfinden, wie stark die Winde auf Titan sein müssen, um Wellen zu erzeugen, die immer wieder an den Küsten zerschmettern können. Außerdem hoffen sie, anhand der Form der Küstenlinien Titans zu entschlüsseln, aus welchen Richtungen der Wind vorwiegend weht.

„Titan stellt den Fall eines völlig unberührten Systems dar“, sagt Palermo. „Es könnte uns helfen, grundlegendere Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie Küsten ohne den Einfluss des Menschen erodieren, und vielleicht hilft uns das, unsere Küstenlinien auf der Erde in Zukunft besser zu verwalten.“

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Site mit Neuigkeiten zu Forschung, Innovation und Lehre am MIT.