Vielleicht hat der Mars sein Wasser doch nicht verloren. Es ist immer noch auf dem Planeten gefangen
Vor etwa 4 Milliarden Jahren sah der Mars ganz anders aus als heute. Zunächst einmal war seine Atmosphäre dicker und wärmer, und flüssiges Wasser floss über seine Oberfläche. Dazu gehörten Flüsse, stehende Seen und sogar ein tiefer Ozean, der einen Großteil der nördlichen Hemisphäre bedeckte. Zeugnisse dieser warmen, wässrigen Vergangenheit sind auf der ganzen Erde in Form von Seen, Flusstälern und Flussdeltas erhalten geblieben.
Wissenschaftler versuchen seit einiger Zeit, eine einfache Frage zu beantworten: Wo ist all das Wasser geblieben? Ist er ins All geflohen, nachdem der Mars seine Atmosphäre verloren hat, oder hat er sich irgendwo zurückgezogen? Entsprechend neue Forschung von Caltech und dem NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) gingen zwischen 30 und 90 % des Marswassers unter die Erde. Diese Ergebnisse widersprechen der weit verbreiteten Theorie, dass der Mars im Laufe von Äonen sein Wasser an den Weltraum verloren hat.
Die Forschung wurde von Eva Scheller, einer Ph.D. Kandidat bei der Kalifornisches Institut der Technologie (Caltech). Sie wurde von Caltech Prof. Bethany Ehlmann unterstützt, die auch stellvertretende Direktorin für die Keck-Institut für Weltraumforschung ; Caltech Prof. Yuk Yung, ein leitender Forscher am NASA JPL; Caltech-Studentin Danica Adams; und JPL-Forschungswissenschaftler Renyu Hu.
Künstlerische Darstellung von fließendem Wasser auf dem Mars. Bildnachweis: Kevin M. Gill
In den letzten zwei Jahrzehnten haben die NASA und andere Weltraumbehörden über ein Dutzend Roboterforscher zum Roten Planeten entsandt, um seine Geologie, sein Klima, seine Oberfläche, seine Atmosphäre und seine Entwicklung zu charakterisieren. Dabei erfuhren sie, dass der Mars einst genug Wasser auf seiner Oberfläche hatte, um den gesamten Planeten in einem Ozean zwischen 100 und 1.500 Metern (330 bis 4920 ft) Tiefe zu bedecken – ein Volumen, das der Hälfte des Atlantischen Ozeans entsprach.
Vor 3 Milliarden Jahren war das Oberflächenwasser des Mars verschwunden und die Landschaft wurde so, wie sie heute ist (eiskalt und ausgetrocknet). Wenn man bedenkt, wie viel Wasser dort einst floss, fragten sich Wissenschaftler, wie es so gründlich verschwunden sein konnte. Bis vor kurzem vermuteten Wissenschaftler, dass die atmosphärische Flucht der Schlüssel ist, bei dem Wasser chemisch dissoziiert und dann in den Weltraum verloren wird.
Dieser Prozess ist als Photodissoziation bekannt, bei der die Einwirkung von Sonnenstrahlung Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. An diesem Punkt, so die Theorie, konnte die geringe Schwerkraft des Mars es durch Sonnenwind aus der Atmosphäre entfernen. Obwohl dieser Mechanismus sicher eine Rolle gespielt hat, sind Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass er nicht für den Großteil des Wasserverlusts des Mars verantwortlich ist.
Künstlerisches Konzept, das die Umgebung des frühen Mars (rechts) im Vergleich zur kalten, trockenen Umgebung des heutigen Mars (links) darstellt. Bildquelle: Goddard Space Flight Center der NASA
Für ihre Studie analysierte das Team Daten von Mars-Meteoriten-, Rover- und Orbiter-Missionen, um zu bestimmen, wie sich das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff (D/H) im Laufe der Zeit verändert hat. Sie analysierten auch die Zusammensetzung der heutigen Marsatmosphäre und -kruste, was es ihnen ermöglichte, die Menge an Wasser auf dem Mars im Laufe der Zeit einzuschränken.
Deuterium (auch bekannt als „schweres Wasser“) ist ein stabiles Wasserstoffisotop, das sowohl ein Proton als auch ein Neutron in seinem Kern hat, während normaler Wasserstoff (Protium) aus einem einzelnen Proton besteht, das von einem Elektron umkreist wird. Dieses schwerere Isotop macht einen winzigen Bruchteil des Wasserstoffs im bekannten Universum aus (etwa 0,02%) und hat es schwerer, sich von der Schwerkraft eines Planeten zu befreien und in den Weltraum zu entkommen.
Aus diesem Grund würde der Verlust des Wassers eines Planeten an den Weltraum eine verräterische Signatur in der Atmosphäre in Form eines überdurchschnittlich hohen Deuteriumspiegels hinterlassen. Dies steht jedoch nicht im Einklang mit dem beobachteten Verhältnis von Deuterium zu Protium in der Marsatmosphäre, weshalb Scheller und ihre Kollegen vorschlagen, dass ein Großteil des Wassers von Mineralien in der Erdkruste aufgenommen wurde. Wie Ehlmann in einem kürzlich erschienenen Caltech erklärt hat Pressemitteilung :
„Die atmosphärische Flucht spielte eindeutig eine Rolle beim Wasserverlust, aber Ergebnisse aus dem letzten Jahrzehnt der Mars-Missionen haben darauf hingewiesen, dass es dieses riesige Reservoir an alten hydratisierten Mineralien gab, dessen Bildung im Laufe der Zeit sicherlich die Wasserverfügbarkeit verringerte.“
Der Jezero-Krater auf dem Mars ist der Landeplatz für den Mars-2020-Rover der NASA. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech/ASU
Auf der Erde verwittert fließendes Wasser Gestein, um Tone und wasserhaltige Mineralien zu bilden, die Wasser als Teil ihrer Mineralstruktur enthalten. Da die Erde tektonisch aktiv ist, zirkulieren hydratisierte Mineralien endlos zwischen dem Mantel und der Atmosphäre (durch Vulkanismus). Auf dem Mars wurden auch Tone und hydratisierte Mineralien gefunden, ein Hinweis darauf, dass dort einst Wasser floss.
Da der Mars jedoch (größtenteils) tektonisch inaktiv ist, wurde sein Oberflächenwasser früh sequestriert und nie wieder herausgeführt. So wurden die Merkmale, die auf das vergangene Vorhandensein von Wasser hinweisen, durch die permanente Trocknung der Oberfläche erhalten. In der Zwischenzeit wurde ein erheblicher Teil dieses Wassers bewahrt, indem es unter der Oberfläche absorbiert wurde.
Diese Studie geht nicht nur der Frage nach, wie das Wasser des Mars vor Milliarden von Jahren verschwand. Es könnte auch eine gute Nachricht für zukünftige bemannte Missionen zum Mars sein, die von lokal geerntetem Eis und Wasser abhängen werden. Zuvor haben die Co-Autoren Ehlmann, Huh und Yung an Forschungsarbeiten zusammengearbeitet, die verfolgte die Geschichte des Kohlenstoffs auf dem Mars – da Kohlendioxid der Hauptbestandteil der Marsatmosphäre ist.
In Zukunft plant das Team, weiterhin Isotopen- und Mineralzusammensetzungsdaten zu analysieren, um festzustellen, was aus stickstoff- und schwefelhaltigen Mineralien auf dem Mars geworden ist. Darüber hinaus plant Scheller, seine Forschung zum Wasser des Mars durch Laborexperimente zur Simulation von Marsverwitterungsvorgängen und durch Beobachtungen der alten Kruste im Jezero-Krater (wo Ausdauer wird gerade erforscht).
Künstlerische Darstellung des Perseverance-Rovers auf dem Mars. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Scheller und Ehlmann sollen auch den Betrieb desAusdauerRover, wenn es an der Zeit ist, Gesteins- und Bohrproben zu sammeln. Diese werden von einer anschließenden NASA-ESA-Mission zur Erde zurückgebracht, wo Forscher sie untersuchen können. Damit können Scheller, Ehlmann und ihre Kollegen ihre Theorien über den Klimawandel auf dem Mars und dessen Antriebe testen.
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, ist kürzlich in der Zeitschrift erschienenWissenschaft, mit dem Titel „ Langfristige Austrocknung des Mars durch Sequestration ozeanischer Wassermengen in der Kruste “ und wurde am 16. März vorgestelltNSwährend der Konferenz für Mond- und Planetenwissenschaften (LPSC). Aufgrund von COVID-Beschränkungen war die diesjährige Konferenz virtuell und fand vom 15. März stattNSbis 19NS.
Die Recherche wurde ermöglicht durch die Unterstützung von Bewohnbare Welten der NASA Auszeichnung, a NASA Earth and Space Science Fellowship (NESSF) Auszeichnung und a NASA Future Investigator in NASA Earth and Space Science and Technology (FINESST) Auszeichnung.
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