Obwohl Wissenschaftler der Erdlinge den Mars intensiv untersuchen, ist er immer noch ein mysteriöser Ort.
Auffallend am Mars sind all die auf seiner Oberfläche deutlich sichtbaren Beweise dafür, dass er flüssiges Wasser enthielt. Jetzt ist all das Wasser weg, und tatsächlich könnte flüssiges Wasser auf der Oberfläche des Roten Planeten nicht überleben. Jedenfalls nicht so, wie der Planet jetzt ist.
Aber es könnte in der Vergangenheit Wasser enthalten. Was ist passiert?
Der Mars hat jetzt nur noch eine dünne Atmosphäre, und diese Atmosphäre ist jetzt nicht dick genug, um Wasser zu halten. Es muss also in der Vergangenheit eine dickere, wärmere Atmosphäre gehabt haben. Und diese Atmosphäre hätte nur bestehen können, wenn der Mars auch eine schützende Magnetosphäre hätte.
Astronomen sind sich ziemlich sicher, dass der Mars vor etwa 4 Milliarden Jahren seine Magnetosphäre verloren hat. Und ohne eine schützende Magnetosphäre wie die Erde hatte der Sternwind von der Sonne freien Zugang zum Mars und entfernte einfach seine Atmosphäre, die für immer an den Weltraum verloren war.
Und als das geschah, war der Mars dem Untergang geweiht. Das Wasser und die Atmosphäre verschwanden, und der Mars wurde kalt und trocken.
Die Magnetosphäre der Erde wird von einem Dynamo im Kern des Planeten erzeugt; ein rotierender und konvektiver Klumpen aus geschmolzenem Eisen und Nickel. Der Mars muss auch einen gehabt haben. Nur so hätte es eine schützende Magnetosphäre erzeugen können, um sie vor der Sonne abzuschirmen. Aber der Mars ist kleiner als die Erde, und nach seiner Entstehung kühlte der Planet schneller ab als die Erde. Nach dem Abkühlen verlor es seinen Kern aus Eisen/Nickel-Dynamo, dann seine Atmosphäre, dann sein Wasser. Armer Mars.
Aber der Mars hat immer noch ein Magnetfeld, wenn auch ein schwaches, und die der NASA MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) Raumsonde hat es kartiert. Anstelle eines globalen Dynamo-Magnetfelds wie das der Erde hat der Mars jetzt ein induzierte Magnetosphäre .
Ein Bild aus einer Animation des Magnetfelds des Mars, das mit dem Sternwind interagiert. Während die Erde eine schützende globale Dynamo-Magnetosphäre hat, hat der Mars eine viel schwächere induzierte Magnetosphäre. Bildquelle: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS
MAVEN erreichte den Mars und ging im September 2014 in eine Umlaufbahn um den Planeten. Fünf Jahre Daten der Mission haben zu einer neuen Karte des schwachen Magnetfelds des Mars geführt. Forscher verwenden diese Karte, um die Geschichte des Mars zu verstehen und zu verstehen, wie er seine Atmosphäre verloren hat.
Ein neuer Artikel präsentiert diese Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Astronomy. Das Papier trägt den Titel „ Die globalen Stromsysteme der vom Mars induzierten Magnetosphäre .“ Hauptautor ist Robin Ramstad von der University of Colorado, Boulder.
„Diese Strömungen spielen eine grundlegende Rolle beim atmosphärischen Verlust, der den Mars von einer Welt, die Leben hätte beherbergen können, in eine unwirtliche Wüste verwandelt hat“, sagte Hauptautor Ramstad in a Pressemitteilung . „Wir arbeiten derzeit daran, anhand der Strömungen die genaue Energiemenge zu bestimmen, die dem Sonnenwind entzogen wird und die atmosphärische Flucht antreibt.“
Der vom Mars induzierte Magnetismus hat eine andere Ursache als der, der von einem Dynamo im Zentrum eines Planeten erzeugt wird. Es wird durch elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind, einem magnetisierten fließenden Plasma, und dem nicht magnetisierten Planeten selbst verursacht. Die durch diese Wechselwirkung erzeugten Ströme geben Hinweise „auf die Rolle des Sonnenwinds bei der Erhitzung, dem Entweichen und der Entwicklung der planetarischen Atmosphären“, so die Autoren des Papiers.
Das Magnetfeld der Erde ist ziemlich gut verstanden und wird seit Jahrzehnten untersucht. Aber induzierte Felder wie die des Mars sind es nicht. Diese fünfjährige Studie von MAVEN ist die bisher gründlichste Studie.
Magnetisch abgelegte Linien auf dem Mars, links, gegenüber der Erde, rechts. Es ist klar, welches Magnetfeld seinen Planeten besser schützt. Bildquelle: L: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS. Rechts: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1712490
Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, der mit fast einer Million Meilen pro Stunde oder 1,6 Millionen Kilometern pro Stunde auf alles um die Sonne herum trifft. Es interagiert mit allem im Sonnensystem. Der Wind selbst ist magnetisiert, sodass er tatsächlich Schwierigkeiten hat, in die obere Atmosphäre des nicht magnetisierten Mars einzudringen. Stattdessen erzeugt es Ströme in der Ionosphäre. Das verstärkt tatsächlich das Magnetfeld und erzeugt die induzierte Magnetosphäre. Erst jetzt, dank dieser Studie, verstehen Wissenschaftler, wie das alles funktioniert.
Wenn die Ionen und Elektronen im Sonnenwind mit diesem induzierten Magnetfeld kollidieren, werden einige der Ionen in eine Richtung gelenkt und einige der Elektronen in die entgegengesetzte Richtung. Dadurch entstehen elektrische Ströme, die von der Tag- zur Nachtseite um den Planeten wandern.
Gleichzeitig trifft Röntgen- und Ultraviolettstrahlung der Sonne auf die obere Marsatmosphäre und ionisiert einen Teil davon ständig. Dadurch wird ein Teil der oberen Atmosphäre in Elektronen und elektrisch geladene Ionen umgewandelt, die Elektrizität leiten.
Ein Bild aus dem Papier, das die formativen Stromsysteme in der vom Mars induzierten Magnetosphäre zeigt. Generatorströme sind blau, Lastströme rot eingefärbt. Bildquelle: Ramstad et al., 2020.
Erstautor Ramstad beschreibt es so: „Die Atmosphäre des Mars verhält sich ein bisschen wie eine Metallkugel, die einen Stromkreis schließt. Die Strömungen fließen in der oberen Atmosphäre, wobei die stärksten Strömungsschichten 120-200 Kilometer (etwa 75-125 Meilen) über der Planetenoberfläche bestehen.“
MAVEN und andere Missionen haben bereits lokalisierte Hinweise auf diese aktuellen Ebenen gesehen. Aber erst jetzt, nach fünf Jahren, ist es Wissenschaftlern gelungen, den kompletten Kreislauf von der Erzeugung im Sonnenwind bis zur Deponierung der elektrischen Energie in der oberen Atmosphäre abzubilden.
Dieses Bild stammt aus einer wissenschaftlichen Visualisierung der elektrischen Ströme um den Mars. Elektrische Ströme (blaue und rote Pfeile) hüllen den Mars in eine verschachtelte Doppelschleifenstruktur ein, die sich kontinuierlich von der Tag- zur Nachtseite um den Planeten wickelt. Diese Stromschleifen verzerren das Magnetfeld des Sonnenwinds (nicht abgebildet), das sich um den Mars legt, um eine induzierte Magnetosphäre um den Planeten zu erzeugen. Dabei verbinden die Ströme die obere Marsatmosphäre und die induzierte Magnetosphäre elektrisch mit dem Sonnenwind und übertragen elektrische und magnetische Energie, die an der Grenze der induzierten Magnetosphäre (schwaches inneres Paraboloid) und am Sonnenwindbogenschock (schwaches äußeres Paraboloid) erzeugt wird ). Credits: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr
Es ist außerordentlich schwierig, diese elektrischen Ströme im Weltraum zu „sehen“. Aber eines der Instrumente von MAVEN ist ein empfindliches Magnetometer. Obwohl es die elektrischen Ströme nicht sehen kann, wurde eine 3D-Karte der magnetischen Feldlinien um den Mars erstellt. Wissenschaftler konnten dann die Ströme auf die Verzerrungen in den Feldlinien abbilden.
„Mit einer einzigen eleganten Operation werden die Stärke und die Pfade der Ströme aus dieser Karte des Magnetfelds herausgelöst“, sagte Ramstad.
Das Ergebnis ist ein detaillierteres Verständnis davon, wie die Sonne dem Mars seine Atmosphäre entzogen hat. Nachdem das globale Dynamo-Magnetfeld verschwunden war, stellte der Sonnenwind eine direkte Verbindung zur oberen Marsatmosphäre her und erzeugte elektrische Ströme. Diese Ströme trieben dann geladene Teilchen aus der Atmosphäre in den Weltraum.
Die Autoren des Papiers sagen, dass andere Planeten ohne Magnetosphären wahrscheinlich die gleichen induzierten Felder haben, zumindest auf höchstem Niveau.
Venus hat ein induziertes Magnetfeld wie der Mars, obwohl unser Wissen darüber nicht so detailliert ist wie unser Wissen über den Mars. Die Autoren dieser Studie sagen, dass es wahrscheinlich ist, dass sie sich zumindest im Großen und Ganzen ähnlich sind. Bildnachweis: Von Venusian_magnetosphere.jpg: Ruslik0derivative work: Alexparent (Talk) – Venusian_magnetosphere.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6435191
„Die Stromsysteme der vom Mars induzierten Magnetosphäre werden überwiegend von einem magnetosphärischen konvektiven elektrischen Feld angetrieben“, schreiben die Autoren. „Diese Ergebnisse repräsentieren die typische Konfiguration auf dem Mars und in erster Ordnung wahrscheinlich auch konvektionsgetriebene induzierte Magnetosphären im Allgemeinen. Diese Konfiguration ist jedoch nicht die einzig mögliche Konfiguration für induzierte Magnetosphären.“
Dieser Prozess des atmosphärischen Verlustes begann vor etwa 4 Milliarden Jahren, als der Mars sein Magnetfeld verlor. Und es passiert auch heute noch.
Mehr:
- Pressemitteilung: MAVEN kartiert elektrische Ströme um den Mars, die für den atmosphärischen Verlust grundlegend sind
- Forschungsbericht: Die globalen Stromsysteme der vom Mars induzierten Magnetosphäre
- Universum heute: Wann hat der Mars sein globales Magnetfeld verloren?
