Wissenschaftlern ist ein bedeutender Schritt hin zum besseren Verständnis des Mars und seines Klimas geglückt. Messungen der Raumsonde Maven geben Aufschluss darüber, warum der Rote Planet sich von einer ursprünglich feuchten und relativ warmen Welt zu einem eisigen Wüstenplaneten entwickelte.
Der Mars verlor seine Atmosphäre in heftigen Schüben, entwickelte sich von einer ursprünglich feuchten und relativ warmen Welt zu einem eisigen Wüstenplaneten, und in seiner Atmosphäre leuchten Aurorae, die den irdischen Nordlichtern entsprechen. Sichtbar sind sie indes nur im ultravioletten Licht.
Warum sich der Rote Planet im Verlauf seiner Geschichte so drastisch veränderte, lassen Daten erkennen, die die Raumsonde „Atmosphere and Volatile Evolution“ (Maven) der US-Raumfahrtbehörde Nasa zur Erde sandte. Maven umkreist den Mars seit September 2014, ihre Primär-Mission endet am 16. November dieses Jahres.
Auf ihrem Orbit näherte sich Maven der Planetenoberfläche auf 130 Kilometer an. Während dieser „Tauchgänge“ zeichneten die Bordinstrumente die Temperatur und die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre sowie die Stärke des Mars-Magnetfelds auf. Unter anderem fanden die Forscher dabei neben dem Hauptbestandteil Kohlendioxid die Spurengase Argon und Stickstoffdioxid sowie höhere Konzentrationen von Sauerstoff als erwartet.
Geologen fanden Hinweise auf einen Ozean
Ursprünglich glich der Rote Planet, der mit den anderen Körpern des Sonnensystems vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstand, in etwa der Erde. Durch Täler strömten Flüsse, deren Wasser sich teilweise in Kratern sammelte und dort Seen bildete. Geologen fanden sogar Hinweise auf einen Ozean, der vor rund 3,5 Milliarden Jahren ein Drittel der Mars-Nordhalbkugel bedeckte.
Zwar gibt es offenbar immer noch Reservoirsvon flüssigem Wasser unter der Oberfläche, doch insgesamt ist der Mars ein trockener Wüstenplanet.
Zudem besaß er in seiner Urzeit eine dichte Atmosphäre, die überwiegend aus Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf bestand. Heute beträgt ihre Dichte gerade ein Prozent des Wertes der irdischen Lufthülle, und die Oberflächentemperatur liegt im Mittel bei minus 50 Grad Celsius.
Wasser auf dem Roten Planeten
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„Der Mars scheint eine dichte Atmosphäre gehabt zu haben, die warm genug war, um Wasser flüssig zu halten. Damit waren die Voraussetzungen für Leben, wie wir es kennen, gegeben“, bekräftigt Nasa-Wissenschaftsdirektor John Grunsfeld. „Jetzt wollen wir verstehen, was mit der Lufthülle des Mars geschah.“
Sonnenwind ließ Atmosphäre ausdünnen
Schon früher vermuteten Forscher, dass der Sonnenwind die Atmosphäre ausdünnen ließ. Die Maven-Daten bestätigen diesen Verdacht und zeigen im Detail, wie unser Nachbar im All seine Atmosphäre verlor. Dazu untersuchte der Späher deren Wechselwirkungen mit dem steten Strom elektrisch geladener Teilchen (Ionen), die von der Sonne mit Geschwindigkeiten von bis zu 1,6 Millionen Kilometer pro Stunde abströmen.
Tatsächlich reißen diese die Moleküle der atmosphärischen Gase ins All – und zwar mit einer Rate von durchschnittlich 100 Gramm pro Sekunde. „Wie beim täglichen Diebstahl einiger Münzen aus einer großen Kasse wird der Verlust erst über längere Zeiträume bedeutsam“, konstatiert Maven-Chefwissenschaftler Bruce Jakosky von der University of Colorado in Boulder.
Mars besitzt kein eigenes schützendes Magnetfeld
Bei Sonnenstürmen nimmt die Erosion der Lufthülle drastisch zu. Tatsächlich beobachtete Maven bei einer Serie solcher Ausbrüche im März 2015, dass sich die Abströmrate signifikant erhöht. In der Vergangenheit müsse die Kombination beschleunigter Verluste und häufigerer Solarstürme der wichtigste Prozess gewesen sein, der die Lufthülle ausdünnen ließ und damit das Klima des Mars veränderte, schlussfolgern die Forscher. Denn in der Frühzeit des Sonnensystems war die Sonne wesentlich aktiver als heute.
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Die Ionen des Sonnenwinds tragen ein Magnetfeld mit sich. Da der Mars - anders als die Erde - kein eigenes schützendes Magnetfeld besitzt, kann das Feld der Sonnenwindteilchen die Gasmoleküle in der oberen Atmosphäre, die durch die UV-Strahlung der Sonne ebenfalls ionisiert sind, beschleunigen und so regelrecht ins All schießen.
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„Dort fliegen sie davon wie in Fontänen“, erläutert Yaxue Dong vom Maven-Wissenschaftsteam. Diese Strukturen, die wie verdrillte Seile aussehen, erstrecken sich bis zu 5000 Kilometer weit ins All. Im planetennahen Raum sammeln sich die Gasmoleküle in drei Regionen: Die meisten in einem „Schwanz“, den der Mars hinter sich herzieht (75 Prozent), der Rest über den Polen und in einer Wolke, die den ganzen Trabanten umgibt.
Zudem beobachtete Maven im Dezember 2014 mit seinem Ultraviolett-Spektrographen eine Aurora auf der Nordhalbkugel des Mars. Sie entstand im Gefolge eines starken Sonnensturms. In einer Studie, veröffentlicht im Wissenschaftsjournal „Science“, beschreiben die Autoren jetzt die Details des Phänomens. Allerdings unterscheiden sie sich von irdischen Polarlichtern, denn sie überdecken eine größere Fläche und leuchten diffuser sowie weniger strukturiert.
Roter Planet ist nicht vor Teilchenbombardement geschützt
Wie auf der Erde werden sie von den Teilchen des Sonnenwinds verursacht. Doch dem Mars fehlt ein globales Magnetfeld, wie es im Innern der Erde entsteht. Stattdessen weist er nur ein schwaches Restfeld auf, das von magnetisiertem Gestein in seiner Kruste ausgeht. Deshalb ist er nicht wie die Erde vor dem Teilchenbombardement geschützt, und der Sonnenwind wird nicht von den Feldlinien zu den Polen gelenkt, sondern verteilt sich über nahezu die gesamte Hemisphäre.
Eine weitere Studie befasst sich mit sehr feinen Staubteilchen in der oberen Atmosphäre des Roten Planeten. Maven entdeckte sie in Höhen von 150 bis 1000 Kilometern über der Oberfläche. Es sei kein physikalischer Prozess bekannt, der die Partikel in solche Höhen befördern könnte, schreiben die Forscher.
Wissenschaftler betonen die Wichtigkeit der Forschungsergebnisse
Überdies seien diese sehr gleichmäßig über den Roten Planeten verteilt und außerdem mit Größen von ein bis fünf Nanometern so klein, dass die Marsmonde als Quelle ausscheiden. Deshalb sei zu vermuten, dass es sich um interplanetaren Staub handelt, der aus dem All auf den Mars herab rieselt.
Diese Forschungsergebnisse, betonen die Projektwissenschaftler, seien ein wichtiger Schritt hin zum eigentlichen Ziel dieser und künftiger Missionen, nämlich die Interaktion von Magnetfeld, Sonnenwind und Atmosphäre detailliert zu ergründen und damit die Geschichte des Roten Planeten und die Entwicklung seines Klimas besser zu verstehen.
