Cometary Delivery of Biogenic Elements to Europa

Cometary Delivery of
Biogenic Elements to Europa
E.Pierazzo
C.F.Chyba
(2001)
Europa
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Europa, Io, Ganymed und
Kallisto werden als Galilei'sche
Monde bezeichnet (Entdeckung
1610)
Scheinbare Helligkeit: 5.3 mag
Durchmesser: 3121.6 km
Masse: 4.8 * 1022 kg
Mittlere Dichte: 3.01 g/cm³
Temperatur: 50 – 125 K
Einleitung
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Pierazzo & Chyba untersuchen Einschläge auf Europa und das
damit aufgenommene biogene Material
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Biogene Elemente: Elemente die für Leben notwendig sind
(C,H,N,O,P,S)
Bildung von C-Vorräten problematisch:
stabilste Gasphase CH4→ Entstehungsregion zu heiß, damit
CH4 auskondensiert → Europa kohlenstoffarm
Zahnle et al.: 90% der Einschläge von Kometen aus JupiterFamilie, 10% von langperiodischen Kometen und Trojanern
Mittlere Einschlaggeschwindigkeit: 26,5 km/s
nur 10% unter 16 km/s
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Einschlag Modell
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Simulationen benutzen 2-Dimensionale,
Achsensymmetrische, finite difference Euler-Lagrange
hydrocode CSQ (Thompson 1988) kombiniert mit der
ANEOS Equation of State Package (Thompson, Lauson
1972)
100 Lagrange Tracer-Partikel über Projektil verteilt
zeichnen kinetische und thermodynamische Entwicklung
während Einschlag auf, zeitliche Auflösung 0,005 s
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Projektildaten
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Durchmesser: 0.5 – 1 km
Geschwindigkeit: 16, 21.5, 26.5, 30.5 km/s mit
Gesamtverteilung 10, 25, 50, 75 %
Kerndichte: 1.1, 0.8, 0.6 g/cm³ entspricht einer
Porösität von 0, 27, 45%
Projektil besteht zur Vereinfachung aus purem
Wassereis
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Oberflächendaten Europa
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Reines, nichtporöses Eis
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Temperatur 110K, Temperaturgradient 32 K/km
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Fluchtgeschwindigkeit 2 km/s
Material, das nach Einschlag diese Geschwindigkeit
erreicht, gilt als für immer verloren
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Modellgrenzen
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CSQ begrenzt Modell auf 2 Dimensionen → überschätzt
Schocktemperaturen und unterschätzt Schockdrücke
um Faktor 2
ANEOS package nicht derartig begrenzt,
Vorteile: bearbeitet thermodynamische Entwicklung
eines Materials weit über den anfänglichen
Schockzustand hinaus,
inklusive Schmelz- und Verdampfungsvorgängen und
Schätzungen zu Entropien und Energien
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Modellgrenzen
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Nachteile: Falsche Darstellung der Gasphase:
einatomiges Gemisch anstatt molekulares Gas
Folge: Nach Impact immer noch flüssiges Wasser
vorhanden
Aber: Bessere Darstellung eines Projektils aus Wasser
UND Gestein
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Position der Tracer im Projektil
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Porösität
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Höhere Geschwindigkeiten bei porösen Projektilen
Porösität beeinflusst Aufteilung von kinetischer Energie aus
der Einschlagenergie zwischen Projektil und Zielobjekt
Je poröser das Projektil, desto mehr Energie erhält es beim
Einschlag
Nichtporöse Kometen: Material verbleibt auch bei 30 km/s
Poröse Kometen: Signifikanter Anteil nur unter 16 km/s
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Einschlagwinkel
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Sinkender Winkel von 90° auf ~ 0°:
Überlebensmöglichkeit von organischem Material steigt
Aber: Geschwindigkeit des Projektilmaterials steigt nach
Aufschlag (Pierazzo und Melosh 2000)
Effekt wird bedeutend bei kleiner Fluchtgeschwindigkeit
jedoch vernachlässigbar für Winkel zwischen 90°- 60°
Annahme: Jedes Material unter 60° erreicht
Fluchtgeschwindigkeit und ist verloren
→ 25% der Kometen innerhalb dieses Winkels
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Biogene Elemente
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Levison et al. berechneten 2000, dass ein Krater mit
mehr als 20 km Durchmesser nur alle 5.6 Mio. Jahre
entsteht
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Zahnle et al. nimmt an, dass ein 0.9 km Objekt mit einer
Dichte von 0.8 g/cm³ einen Krater zwischen 14-23 km
Durchmesser schlagen würde
→ Masse 3.1 * 1014 g,
geschätzter Massezufluss durch Kometen
5.5 * 107 g/Jahr, bei konstantem Zufluss über 4.4 Mill.
Jahre erfolgt ein Massezuwachs von 2.4 * 1017 g
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Biogene Elemente
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Holman und Wisdom: Kometenfluss ~ 1/t (Erschöpfung
des Kuiper Belt)
→ Insgesamter Massezuwachs 8.2 * 1017 g
Formel zur Berechnung der aufgenommenen Masse:
i
M acc =M inc⋅F ⋅ ∑ F v i ⋅F p 
i
Minc = 8.2 * 1017 g, F(Θ) = 0.25,
F(vi) – 10% < 16 km/s, 25% 16 < vi < 21.5 km/s
für Dichte von 0.8 g/cm³: Macc = 1.4 * 1016 g
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Biogene Elemente
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Geschätzter Anteil an biogenen Elementen im
Kometen:
C: 16.8 Gewichts-%
N: 4.3 Gewichts-%
S: 2.8 Gewichts-%
P: 0.5 Gewichts-%
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Aminosäuren
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Bestehen aus mindestens
einer Carboxylgruppe
(-COOH) und einer
Aminogruppe (-NH2)
Wichtigste Gruppe:
α-Aminosäure →
proteinogene
Aminosäuren als
Bausteine für Proteine
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Proteine
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Aus Aminosäuren durch Peptidbindung aufgebaute
Makromoleküle
Grundbausteine aller Zellen
Funktionen: Enzyme, Transportproteine (Hämoglobin),
Antikörper, Hormone,...
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Überleben von Aminosäuren
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Abhängig Einschlaggeschwindigkeit und Größe des
Projektils
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Aspargin, Asparginsäure und Glutaminsäure überleben
Einschlagschock im Prozentbereich für alle
Geschwindigkeiten
Größe des Projektils unwichtig:
30% für 1km, 55% für 0.5km Durchmesser
integriert über die Masse ergibt es ungefähr dieselbe
Zahl an überlebenden Aminosäuren
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Ergebnisse
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Nur untere Grenze der biogenen Vorräte berechnet,
reakkrediertes Material nicht berücksichtigt
Resurfacing Zeit von 10 Mio. Jahre, verbunden mit
Oberfläche-Ozean Interaktion können biogene Elemente
in unterirdischen Ozean gelangen und so Biosphäre
erhalten
Aminosäuren-Konzentration in Europas Ozean ist
integriert über 4.4 Mill. Jahre um einiges niedriger als
die zu erwartende Menge im Erdozean
→ Verteilung durch Kometen unwichtig
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Zusammenfassung
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Untersuchung der Verteilung von biogenen Elementen
durch Kometeneinschläge
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Durchmesser, Geschwindigkeiten, Einschlagwinkel und
Dichte der Projektile variiert
Ergebnis: für nichtporöse Kometen und Winkel zwischen
90°-60° verbleiben nach dem Einschlag intakte biogene
Elemente (u.a.Aminosäuren)
Dennoch ist Konzentration viel zu gering, Beitrag von
Kometen an biogenem Vorrat somit unwichtig
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Geplante Missionen
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Kryobot Sonde: Soll sich durch Oberfläche schmelzen
und Mini-U-Boot in Ozean ablassen
2020 Start des NASA/ESA Projekts „Europa Jupiter
System Mission“
Zur näheren Erforschung der Galilei'schen Monde.
Soll ab 2028 mehrere Jahre lang u.a. die Beschaffenheit
von Europas Eisoberfläche untersuchen und die
Möglichkeit eines flüssigen Ozeans
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Referenzen
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Pierazzo & Chyba: Cometary Delivery of Biogenic
Elements to Europa (2001)
http://www.wikipedia.org/de
Pierazzo & Collins: A Brief Introduction to Hydrocode
Modeling of Impact Cratering
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Danke für die Aufmerksamkeit
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