Der Mars ist ein trockener Ort, und abgesehen von einer winzigen Menge Wasserdampf in der Atmosphäre existiert alles Wasser als Eis. Aber es war nicht immer so trocken. Beweise für das vergangene nasse Kapitel des Planeten punktieren die Oberfläche. Paleolaken wie der Jezero-Krater, der demnächst vom Perseverance Rover der NASA erforscht werden soll, liefern deutliche Beweise für die antike Vergangenheit des Mars. Aber was ist mit all dem Wasser passiert?
Es verschwand natürlich im Weltraum. Aber wenn? Und wie schnell?
Eine neue Studie besagt, dass der Mars seine Atmosphäre und sein Wasser relativ schnell verloren hat. Innerhalb kurzer Zeit verschwand, geologisch gesehen, all das Wasser, unterstützt von Staubstürmen.
Der Titel der neuen Studie lautet „ Der Wasserstoffaustritt vom Mars wird durch den saisonalen und Staubsturmtransport von Wasser angetrieben .“ Der Hauptautor ist Shane Stone, ein ehemaliger Laborchemiker, der jetzt Doktorand am Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona ist. Das Papier ist in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Diese neue Forschung basiert auf Daten von NASAs MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) Raumsonde. MAVENs Aufgabe ist es, „die obere Atmosphäre und Ionosphäre des Mars zu untersuchen und wie der Sonnenwind flüchtige Verbindungen aus dieser Atmosphäre entfernt.“ MAVEN umkreist den Mars seit 2014 und seine Mission soll bis 2030 dauern.
'Wir wissen, dass es vor Milliarden von Jahren flüssiges Wasser auf der Oberfläche des Mars gab', sagte Stone in a Pressemitteilung . „Es muss eine dickere Atmosphäre gegeben haben, also wissen wir, dass der Mars irgendwie den Großteil seiner Atmosphäre an den Weltraum verloren hat. MAVEN versucht, die für diesen Verlust verantwortlichen Prozesse zu charakterisieren, und ein Teil davon ist, genau zu verstehen, wie der Mars sein Wasser verloren hat.“
Ungefähr alle 4,5 Stunden taucht MAVEN tiefer in die Marsatmosphäre ein und misst geladene H2O-Ionen mit einem Spektrometer. Es nimmt diese Messungen in etwa 161 km (100 Meilen) Höhe über der Planetenoberfläche vor. Es führt auch tiefere Eintauchungen in die Atmosphäre durch, wo es für 20 Umlaufbahnen gleichzeitig auf etwa 125 km (77,6 Meilen) abtaucht, wobei jedes Eintauchen fünf Tage dauert. In dieser Höhe ist die Atmosphäre viel dichter.
Das Missionsprofil von MAVEN bedeutet, dass es Messungen in der gesamten oberen Atmosphäre des Mars und in verschiedenen Breitengraden durchführen kann. Durch wiederholte Messungen können Wissenschaftler die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre berechnen.
Künstlerische Illustration der NASA-Raumsonde MAVEN, die den Mars umkreist. Bild: Goddard Space Flight Center der NASA
MAVEN hat eine überraschend große Menge Wasserdampf in der oberen Marsatmosphäre gefunden, wo er schnell entfernt wird. Das Wasser und seine Zerstörung sind ein verlockender Hinweis auf die antike Geschichte des Mars.
Hubble hat zusammen mit MAVEN das Wasser des Mars beobachtet, und beide Missionen haben festgestellt, dass der Wasserverlust des Mars von den Jahreszeiten des Planeten abhängt. Wenn der Planet der Sonne am nächsten ist, schmilzt die Erwärmung mehr Wassereis des Planeten. Der Dampf steigt dann in die obere Atmosphäre auf, wo er in den Weltraum entweicht.
In ihrer Studie weisen die Autoren darauf hin, dass „ein wiederholbarer saisonaler Trend in der H2O-Häufigkeit in der oberen Atmosphäre auftritt, der im südlichen Sommer zwischen LS = 250° und 270° seinen Höhepunkt erreicht…“
Die saisonale Erwärmung ist jedoch nur ein Faktor, der zum Wasserdampfverlust beiträgt.
„Die saisonale und durch Staubstürme vermittelte Wasserzufuhr in die obere Atmosphäre könnte eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung des Marsklimas von seinem warmen und feuchten Zustand vor Milliarden von Jahren zu dem kalten und trockenen Planeten gespielt haben, den wir heute beobachten.“
Aus „Wasserstoffaustritt vom Mars wird saisonal getrieben
und Staubsturmtransport von Wasser“ von Stone et al, 2020.
Die Planeten Staubkreislauf trägt auch zum Wasser- und Wasserstoffverlust bei. Stone und die anderen Forscher hinter dieser Arbeit fanden heraus, dass Staubstürme – sowohl regionale als auch globale, die etwa alle 10 Jahre auftreten – auch die Atmosphäre erwärmen, was zu einem schnelleren Wasserverlust führt.
Konkret stellten sie fest: „Während des globalen Staubsturms vom Juni 2018 stieg das durchschnittliche H2O-Mischungsverhältnis um den Faktor 2,4 von einem Mittelwert von 3,0 auf 7,1 ppm über 2 Tage. Die Wasserhäufigkeit nahm dann den saisonalen und Staubsturmtrends folgend weiter zu und erreichte Werte >60 ppm bei LS = 204°. Dieses Ereignis beinhaltete die höchsten von uns beobachteten persistenten H2O-Häufigkeiten, die Ende 2018 für mehr als 5 Monate bei mehreren Dutzend ppm gehalten wurden.“
Diese Ergebnisse widersprechen dem bestehenden Modell des Wasserverlusts auf dem Mars. Nach diesem Verständnis sublimiert Wassereis zu Wasserdampf und wird durch die ungehinderte Strahlung der Sonne in der unteren Atmosphäre zerstört.
Wie die Autoren in ihrem Papier erklären: „Frühe Studien der H-Produktion und der vernachlässigten ionosphärischen Zerstörung von H2O entgehen, weil angenommen wurde, dass H2O durch eine Hygropause auf niedrige Höhen beschränkt bleibt. Später stellte sich heraus, dass die Hygropause je nach Jahreszeit in der Höhe variiert, was zu Spekulationen führte, dass die H2O-Sättigung während Staubstürmen aufgrund der erhöhten Temperaturen möglicherweise überhaupt nicht auftritt.“
Diese neuen Ergebnisse kippen einen Teil dieses Wissens.
„Das ist wichtig, weil wir überhaupt nicht erwartet haben, in der oberen Atmosphäre des Mars Wasser zu sehen“, sagte Stone. „Wenn wir den Mars mit der Erde vergleichen, ist das Wasser auf der Erde aufgrund der sogenannten Hygropause nahe an der Oberfläche gebunden. Es ist nur eine Schicht in der Atmosphäre, die kalt genug ist, um jeglichen nach oben strömenden Wasserdampf zu kondensieren (und damit zu stoppen).
Während normaler Jahre erfährt der Mars einen stetigen Wasserdampfverlust. Bildquelle: NASA/Stone et al, 2020.
Die Hygropause ist eine von mehreren „Pausen“ in planetarischen Atmosphären. Im Wesentlichen sind sie eine Region, in der sich etwas ändert. Die bekannteste der Erde dürfte die Tropopause zwischen Troposphäre und Stratosphäre sein. In der Stratosphäre steigt die Temperatur mit zunehmender Höhe, in der Troposphäre nimmt die Temperatur jedoch mit der Höhe ab. Die Tropopause ist die Region zwischen beiden.
Die Hygropause ist ähnlich. Klee et. al. fand 1979 heraus, dass auf der Erde das Mischungsverhältnis von Wasserdampf mit höheren Höhen durch die Stratosphäre zunimmt. Aber 2 oder 3 km oberhalb der Tropopause gibt es ein absolutes Minimum an Wasserdampf-Mischungsverhältnis. Sie nannten es die Hygropause.
Während des Südsommers und während regionaler und globaler Staubstürme beschleunigt sich der Wasserverlust in den Weltraum. Bildquelle: NASA/Stone et al, 2020.
Die Hygropause ist im Grunde eine kalte Region, die bewirkt, dass Wasserdampf kondensiert und nicht mehr nach oben wandert. Wie Stone sagt, sollte sich oberhalb der Hygropause kein Wasserdampf befinden. Aber es gibt, und das bedeutet laut dem Forscherteam, dass die Hygropause des Mars einfach nicht kalt genug ist, um den Dampf zum Kondensieren zu zwingen.
Da die Hygropause des Mars schwach ist, wandert der Dampf so hoch in die obere Atmosphäre, dass die Ionen sehr schnell zerlegt werden und die entstehenden Nebenprodukte in den Weltraum verloren gehen.
Der Wasserverlust des Mars hat ein saisonales Element. Während des südlichen Sommers erwärmt sich der Planet und gibt mehr Wasserdampf ab. Sowohl regionale als auch globale Staubstürme sind ebenfalls wichtige Ursachen für Wasserverluste. Bildquelle: NASA/Stone et al, 2020.
„Der Verlust seiner Atmosphäre und seines Wassers an den Weltraum ist ein Hauptgrund dafür, dass der Mars im Vergleich zur warmen und nassen Erde kalt und trocken ist. Diese neuen Daten von MAVEN zeigen einen Prozess, bei dem dieser Verlust noch heute auftritt“, sagte Stone.
Aber wie spielte sich das in der Vergangenheit des Mars ab? Der Mars war einmal warm und nass, vielleicht bei mehreren verschiedenen Gelegenheiten. Was sagt uns dieses neue Wissen über die Vergangenheit des Mars?
Das Team nahm ihre Erkenntnisse und arbeitete eine Milliarde Jahre zurück. Sie fanden heraus, dass dieser Wasserverlustmechanismus den teilweisen Verlust eines globalen Ozeans hätte erklären können, wenn der Mars tatsächlich einen hätte.
„Wenn wir Wasser nehmen und es gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Mars verteilen würden, wäre dieser Ozean aus Wasser, der aufgrund des neuen Prozesses, den wir beschreiben, an den Weltraum verloren, über 17 Zoll tief“, sagte Stone. „Weitere 6,7 Zoll würden allein durch die Auswirkungen globaler Staubstürme verloren gehen.“
Künstlerische Darstellung des antiken Marsozeans. Laut dieser neuen Forschung ging das Wasser des Mars zumindest teilweise aufgrund globaler und regionaler Staubstürme in den Weltraum verloren. Bild: ESO/M. Kornmesser, über N. Risinger
Globale Staubstürme spielen eine entscheidende Rolle beim Wasserverlust. Bei einem dieser Mammutstürme kann bis zu 20-mal mehr Wasser in die obere Atmosphäre getragen werden. Als ein Pressemitteilung Begleitend zur Studie, kann ein globaler Staubsturm von 45 Tagen so viel Wasserdampf in die obere Atmosphäre transportieren wie während eines normalen sturmfreien Marsjahres von 687 Erdtagen.
Es gibt jedoch Einschränkungen in dieser Studie. Das Team konnte nicht weiter als eine Milliarde Jahre zurückrechnen, da es unwahrscheinlich ist, dass die Hygropause vor so langer Zeit dieselbe war. Es war wahrscheinlich stärker, was bedeutet, dass es für Wasserdampf schwieriger war, die obere Atmosphäre zu erreichen.
„Bevor der von uns beschriebene Prozess in Gang gesetzt wurde, muss es bereits eine beträchtliche Menge atmosphärischer Flucht in den Weltraum gegeben haben“, sagte Stone. 'Wir müssen noch die Auswirkungen dieses Prozesses festhalten und wissen, wann er in Betrieb genommen wurde.'
Stone hat ein anderes Ziel für ähnliche atmosphärische Studien im Auge. Der Saturnmond Titan hat seine eigene dynamische Atmosphäre, in der die organische Chemie aktiv ist. Es ist auch der einzige Körper des Sonnensystems außer der Erde mit Flüssigkeit auf der Oberfläche.
„Titan hat eine interessante Atmosphäre, in der die organische Chemie eine bedeutende Rolle spielt“, sagte Stone. „Als ehemaliger synthetisch-organischer Chemiker möchte ich diese Prozesse unbedingt untersuchen.“
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