Buitenaardse oceanen

Manen van Jupiter en Saturnus herbergen enorme watermassa's, bedekt onder een dikke laag ijs. Op Titan liggen zeeën van methaan en ethaan aan de oppervlakte. Het zijn buitenaardse laboratoria voor oceanografen.

OP 14 JANUARI 2005 krijgt Titan, de grootste maan van Saturnus, bezoek. De Huygens-sonde, gebouwd door de Europese ruimte-organisatie ESA, duikt dan de oranje dampkring binnen om na een afdaling van ruim twee uur per parachute een zachte landing te maken. Dat kan op een bikkelhard bevroren ijslaag zijn (op Titan is het -180 graden Celsius), en dan is de kans groot dat de sonde de klap met 5 m/s niet overleeft. Maar het zou ook goed kunnen dat Huygens (de naam verwijst naar Christiaan Huygens, de geleerde die Titan in 1655 ontdekte) in een meer van methaan en ethaan plonst. In dat geval zal de dobberende sonde (ontworpen om enige tijd te blijven drijven) gegevens over golfslag en heersende wind verzamelen die oceanografen op aarde buitengewoon interesseren.

Buitenaardse meren en oceanen als laboratoria voor de aardse oceanograaf, en oceanografen die astrobiologen en andere onderzoekers van verre manen terzijde staan: het illustreert hoe vakgebieden met totaal verschillende tradities en werkwijzen opeens van elkaar kunnen leren. Eerder dit jaar organiseerde de American Association for the Advancement of Science (AAAS) in Seattle het symposium `Oceans in Our Solar System', met sprekers die het publiek en elkaar veel te vertellen hadden. De meren op Titan werden er doorgelicht, maar ook de met ijs bedekte oceanen op de Jupiter-maan Europa. En aan de hand van het voorkomen van aardse micro-organismen op de oceaanbodem of in het Vostok-meer onder kilometersdik ijs van Antarctica werden de kansen gewogen op leven in de buitenaardse diepzee.

Titan, aldus Ralph Lorenz (University of Arizona) in Seattle, is een fantastische plek voor een planeetonderzoeker. Die maan, qua formaat tussen Mercurius en Mars in, herbergt een oceaan met vloeibaar water die schuilgaat onder een dikke ijslaag. Dat is eveneens het geval bij de Jupitermanen Europa, Calisso en Ganimedes, maar Titan heeft meer te bieden. Op het symposium ging de aandacht van Lorenz, hoofd van de Cassini-Huygensmissie (zie kader), vooral uit naar de ijsvrije meren aan het oppervlak van Titan. Dat oppervlak is door de dikke oranjekleurige atmosfeer van stikstof en een paar procent methaan voor gewone telescopen onzichtbaar. Maar radiogolven en infraroodstraling dringen wel door. Infraroodopnames met de Hubble-ruimtelescoop laten een afwisseling van heldere en pikzwarte vlekken zien; de laatste wijzen op de aanwezigheid van koolwaterstoffen. Waarnemingen met de Arecibo-radiotelescoop in Puerto Rico toonden vorig jaar bovendien aan dat het om een vlak oppervlak ging. Driekwart van Titan, zo was de conclusie, is bedekt met meren van vloeibaar methaan en ethaan.

inslagkraters Neerslag van vloeibaar methaan, aldus Lorenz, verzamelt zich in inslagkraters en weet zich te handhaven door de extreme kou op Titan. Ethaan ontstaat in de hogere atmosfeer uit fusies van methaanmoleculen, onder invloed van zonlicht. Als op Titan alleen atmosferisch methaan zou voorkomen, zou het onder invloed van zonlicht binnen tien miljoen jaar afgebroken moeten zijn. Dus moet er een bron van bijvoorbeeld vulkanisch methaan zijn, of er zijn plassen vloeibaar methaan die dienst doen als buffer. Dat laatste heeft Lorenz' voorkeur, ook al omdat is aangetoond dat op het Titan-oppervlak ook vloeibaar ethaan aanwezig is.

Wat is er aan de oevers van de meren op Titan te zien? Op aarde gaat het in zo'n situatie om het samenspel tussen wind, getijden en golven. Bij sterke getijdenwerking ontstaan vlakke en uitgestrekte oevers, hoge golfslag leidt weer tot stranden en kliffen. De nabijheid van Saturnus, aan de Titanhemel 22 keer groter dan de maan gezien vanaf de aarde, veroorzaakt in kratermeren met vloeibaar methaan metershoge getijdenverschillen. De wind op Titan is zwak omdat deze niet, zoals op aarde, door lokale verschillen in stralingswarmte van de zon wordt gegenereerd. Op Titan valt honderd keer zo weinig zonlicht als op aarde en wat er aan wind staat (circa 1 m/s) vindt zijn oorzaak in de getijdenkrachten (die 400 keer sterker zijn dan op aarde). Ondanks het feit dat Titan steeds dezelfde kant naar Saturnus keert is er toch een effect omdat de getijdenkracht als gevolg van de elliptische baan van Titan met 10 procent varieert. De wind op Titan wekt in de methaanmeren golven op die zeven keer hoger zijn dan bij gelijke wind op een aardse wateroceaan. Tegelijk lopen die golven veel langzamer dan op aarde en liggen hun toppen verder uiteen. Lorenz benadrukte dat oceanografen het fysische mechanisme achter aardse golfvorming nog altijd niet begrijpen. ``Door op Titan aan golven te meten bij afwijkende parameters – andere vloeistofdichtheid, andere atmosfeer, andere zwaartekracht en andere oppervlaktespanning – ontstaat hopelijk dieper inzicht in de golven bij ons. Voor de circulatie van warmte geldt iets vergelijkbaars. Titan biedt aardse oceanografen een uniek laboratorium.''

scheuren De meeste aandacht op het AAAS-symposium in Seattle ging uit naar Europa, een van de vier grote manen van Jupiter. Op foto's die de sondes Pioneer 10 en 11 in 1973 en 1974 maakten, waren weinig details te zien, maar Voyager-foto's uit 1979 toonden vaalgele ijsvlakten, rood- en bruingespikkelde gebieden en duizenden kilometers lange scheuren, alles met betrekkelijk weinig reliëf. Verreweg het meeste dat we nu van Europa weten komt van de Galileo-missie, die in de jaren negentig ongekend gedetailleerde opnames schoot van Jupiter en zijn manen. Die foto's tonen een gemangeld Europa-oppervlak, een ijsvloer waar op het oog een schip doorheen is gevaren waarna de schotsen, kriskras verschoven en gedraaid, tot een imposant mozaïek zijn vastgevroren. Slechts hier en daar zijn sporen van een inslag zichtbaar, wat betekent dat het geologisch gezien een jong oppervlak betreft.

De talloze breuken laten zich deels verklaren uit de sterke getijdenwerking op Europa. Net als Titan bij Saturnus keert ook Europa steeds dezelfde kant naar Jupiter, en in combinatie met een omloopstijd van 3,5 dag en een variabele aantrekkingskracht van Jupiter als gevolg van de ellipsbaan die de maan beschrijft leidt dat tot een ijsoppervlak dat periodiek wel dertig meter op en neer rijst. Dat enorme getij geeft spanningen in de ijsvloer, resulterend in een zwaar getekend oppervlak. De structuur van dat oppervlak wordt tevens bepaald door de uitgestrekte oceaan die zich onder de tientallen kilometers dikke ijslaag bevindt en die tweemaal zoveel water bevat als op aarde aanwezig is.

Hoe weten we dat? Torrence Johnson, chief scientist van de Galileo-missie, kende in zijn lezing in Seattle de grootste bewijskracht toe aan metingen van verstoringen in het magnetische veld van Jupiter ter plekke van Europa. Die gaven aan dat Europa zich als een enorme elektrische geleider gedraagt. IJs en gesteente, aldus Johson, zijn niet in staat om het vereiste geleidingsvermogen te leveren. Een oceaan met water en opgeloste zouten kan dat wel. Aards zeewater zou aardig voldoen. Waarschijnlijk is de oceaan op Europa zo'n 100 kilometer diep. Een andere aanwijzing voor het bestaan van een waterlaag onder het ijs vormen inslagsporen. Binnen en buiten die sporen bestaat hoegenaamd geen hoogteverschil, wat duidt op onderliggend materiaal van geringe viscositeit (stroperigheid). Metingen aan het zwaartekrachtsveld van Europa duiden ook op de aanwezigheid van gelaagdheid.

Op het Europa-ijs, zo wijzen spectroscopische gegevens uit, zijn sporen van zouten aanwezig. Dat roept de vraag op of vloeibaar water zo nu en dan door het ijs weet heen te dringen en lokaal aan de oppervlakte komt. Aan de hand van een staaltje vergelijkende oceanografie bood Jason Goodman, verbonden aan het Woods Hole Oceanographic Institute op Cape Cod (Massachusetts) hiervoor een mogelijk mechanisme: opstijgend warm water dat door het ijs dringt. De verschillen tussen de aarde en Europa zijn evident. Op aarde rolt het getij over een draaiende planeet, terwijl Europa vanuit Jupiter gezien stil staat. Een ander verschilpunt is het effect van de zon. Op aarde vindt zowel verwarming als afkoeling van de oceanen plaats aan de oppervlakte. Koud water zinkt en warm water stijgt op, zodat een circulatie ontstaat met bijbehorende stratificatie (gelaagdheid) van de waterdichtheid. Verder speelt de Corioliskracht (een gevolg van de aardrotatie) een rol: die werkt tegen dat stromende watermassa's over elkaar schuiven (sheer). Oppervlaktestromingen op aarde worden voor een belangrijk deel gestuurd door de wind. Het samenspel van al deze factoren levert de oceanograaf een model op van het gedrag van aards oceaanwater.

Op Europa heersen totaal andere omstandigheden. De al gememoreerde wisselende aantrekkingskracht van Jupiter levert, aldus Goodman, genoeg getijdenenergie om het water bij de heersende koude vloeibaar te houden. De aanwezigheid van de ijslaag pint de temperatuur bovenin de Europa-oceaan vast. Dat toch een thermische beweging in het water kan ontstaan is te danken aan geothermische warmte (van onderzeese vulkanen of hydrothermal vents, een soort schoorstenen) die lokaal van onder aan het oceaanwater wordt toegevoerd. Ook op Europa wil warm water omhoog, met als gevolg een turbulente convectie die het oceaanwater flink door elkaar roert, zodat alle dichtheidverschillen verdwijnen. De oceaan op Europa is dus niet gelaagd en warm water blijft in zijn beweging naar boven niet op bijpassende hoogte (gelijke dichtheid) `hangen', zoals op aarde. Het rijst helemaal omhoog tot het contact maakt met het ijs. Het lokale afsmelten van ijs leidt tot het optreden van breuken en het schotsen-mozaïek.

Om de schaalgrootte van die processen door te rekenen, zo benadrukte Goodman, hoeft de oceanograaf niet vanaf nul te beginnen: de wiskundige tools blijven dezelfde. Wel is het zaak aardse modellen aan te passen aan de parameters van Europa. In die theoretische analyse speelt het zogeheten Natural Rossby Number een hoofdrol. De waarde van dat getal volgt uit de diepte van de oceaan, de rotatiesnelheid van Europa, de warmte-input, etcetera. Het Natural Rossby Number bepaalt de diameter van de warmwater-plumes, de heersende temperaturen en stijgsnelheden van het water. In een experiment met een watertank op een draaiende schijf en een warmtebron op de bodem heeft Goodman het theoretische model gecontroleerd. Na de meetresultaten ook qua zwaartekracht te hebben vertaald naar Europa kwam hij tot de conclusie dat het experiment en de theorie vergelijkbare resultaten opleverden. Resultaten die aansloten bij de schaalgroottes van de ijschaos aan de oppervlakte.

credo `Follow the water', luidt het credo van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa. Is in de buitenaardse oceanen leven mogelijk? Rita Calwell, microbioloog en directeur van de National Science Foundation, vergeleek in haar bijdrage in Seattle de oceaan op Europa met het Vostok-meer op Antarctica. Het laatste is half zo groot als Nederland en gaat schuil onder een ijslaag van vier kilometer dik, met bijbehorende druk. Bij boringen tot vlak boven het meer, in het honderd meter dikke overgangsgebied tussen permanent ijs en water, zijn tot verrassing van onderzoekers allerlei micro-organismen aangetroffen. (In afwachting van internationale overeenstemming over het ongerept laten van zulke ecosystemen is het boren stilgelegd). Micro-organismen blijken onder de meest extreme omstandigheden te overleven. Zo zijn op de oceaanbodem in hydrothermical vents onder extreme hitte en druk sporen van leven aangetroffen.

Vertaald naar het water op Europa trok de oceanograaf John Baross, verbonden aan de University of Washington, de conclusie dat onderzoekers zich niet blind moeten staren op leven zoals dat op aarde voorkomt. ``De biochemie biedt meer mogelijkheden'', aldus Baross, ``en als Europa leven kent zou dat er wel eens heel anders kunnen uitzien dan we gewend zijn.'' Hoe de enorme druk op de bodem van de honderd kilometer diepe Europa-oceaan op de micro-organismen zou uitpakken, wist Baross niet. Maar dat belette hem niet te speculeren over het resultaat van miljarden jaren evolutie van anaeroob leven: ``Eerst primitief en een slapend bestaan leidend, nu een overvloed aan organismen.''

Collega Steve Emerson gaf ten slotte aan hoe een expeditie naar Europa met een simpele test kan uitzoeken of er leven is (of was). Eventueel Europa-leven is terug te vinden in de verhouding C-C (twee koolstof-isotopen). Wie op de Jupitermaan een watermonster neemt en in organische en anorganische koolstofverbindingen een verschillende isotopenverhouding aantreft, weet zeker dat er biologische activiteit is/was. Resteert het probleem hoe je in die kou aan vloeibaar water komt. Alvorens een sonde die op Europa is geland aan het boren te zetten is het goed te bedenken dat in het verleden regelmatig water door breuken in de ijskap aan de oppervlakte is gekomen. Pas als mocht blijken dat langdurige blootstelling aan intense straling de sporen van leven te zeer heeft aangetast, is het tijd voor de boor.