Gezeiten, Rotation und Bahnentwicklung

Zwischen der Bahnentwicklung natürlicher Satelliten und ihrem inneren Zustand besteht aufgrund der Kopplung über Gezeitenkräfte ein enger Zusammenhang. Die Wirkung der auftretenden Kräfte auf die Satelliten hängt dabei wesentlich vom thermischen und damit vom rheologischen Zustand im Innern ab. Im Falle der Galileischen Satelliten besteht durch die Laplace-Resonanz zwischen Io, Europa und Ganymed eine zusätzliche enge Bahnkopplung der Satelliten untereinander. Dadurch ist es möglich, zweifach gekoppelte Evolutionsmodelle zu gewinnen, die sowohl Io's als auch Europa's thermische Entwicklung und deren bahndynamische Wechselwirkung beschreiben.

Die Gezeitendissipationsrate und damit die Wärmeproduktion Europas ist für verschiedene Aufbaumodelle unter Annahme der Maxwell-Rheologie für die dissipativen Schichten berechnet worden. Die Modellrechnungen zeigen, dass die Gezeitendissipation nicht nur für Io, sondern auch für Europa eine entscheidende Rolle spielt und vermutlich das heutige Erscheinungsbild dieses Satelliten entscheidend mitgeprägt hat. Neben der im Vergleich zu Io höheren Bahnexzentrizität Europas ist die Existenz eines internen globalen Ozeans unterhalb der äusseren Eisschicht, die durch Messungen der Raumsonde Galileo indirekt bestätigt wurde, ein entscheidender Faktor für hohe Gezeitendissipationsraten. Der Grund ist, dass die Deformierbarkeit der dissipativen Eisschicht durch eine darunterliegende flüssige Schicht stark erhöht wird. Der Einfluss der Gezeitendissipation Europas auf die bahndynamische Entwicklung der Galileischen Satelliten ist daher nicht zu vernachlässigen und auch für Europa sind Phasen hoher Gezeitendissipation, analog zu Io's heutigem Zustand, möglich. Für die Energiebilanz Europa's ist neben der Wärmeproduktion durch radioaktive Elemente und Gezeitendissipation auch die Wärmetransportrate entscheidend. Dazu wurden Wärmetransportmodelle berechnet, die Rückschlüsse auf den thermischen Zustand der Eisschicht und Europa's Oberflächenwärmefluss ermöglichen. Diese Modellrechnungen zeigen, dass für den heutigen Bahnzustand hohe Dissipationsraten zu einem thermischen Ungleichgewicht innerhalb der Eisschicht führen. Gleichgewichtszustände sind lediglich für solche Modelle möglich, in denen die Mächtigkeit der Eisschicht in der Grössenordnung von 25 km liegt, was etwa 15 bis 25 Prozent der gesamten Eis-/Wasserschicht entspricht.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Dipl.-Phys. Hauke Hussmann, Prof. Dr. Tilman Spohn

Veröffentlichungen:

Hussmann, H., T. Spohn, K. Wieczerkowski: The Thermal-Orbital Evolution of Io and Europa. XXV General Assembly European Geophysical Society, Geophys. Res. Abstr. (CD-ROM), Nice, 2000.

Hussmann, H., T. Spohn: Auswirkungen der Laplace-Resonanz auf die thermische und bahndynamische Entwicklung von Io und Europa. Jupiter-Workshop 2000, Köln 2000.

Hussmann, H., T. Spohn, K. Wieczerkowski: Thermal equilibrium states of Europa's Ice Shell: implications for internal ocean thickness and surface heat flow. Icarus (eingereicht), 2000.

Spohn, T., H. Hussmann: Estimates of Europa's surface heat flow from tidal dissipation and interior structure models. 32nd Lunar and Planetary Science Conference, Houston 2001.

Hussmann, H., T. Spohn, K. Wieczerkowski: Thermal equilibrium states of Europa's ice shell. XXVI General Assembly European Geophysical Society, Geophys. Res. Abstr. (CD-ROM), Nice, 2001.