So verlor und verliert der Mars sein Wasser

Tucson (USA) – Wie die Erde, so beherbergte auch der heute kalte und trockene Mars einst flüssiges Wasser in Form von Flüssen, Seen und Ozeanen auf seiner Oberfläche. Jetzt haben US-Forschende überraschend große Mengen an Wasser in der oberen Marsatmosphäre entdeckt, wo es schnell zerstört wird und ins All entweicht. Der Prozess liefert nun eine überzeugende Erklärung für die lange Zeit kontrovers diskutierte Frage, wie und wohin der Mars sein Wasser verloren hat und weiterhin verliert.

Wie das Team um Shane Stone von der University of Arizona aktuell im Fachjournal „Science“ (DOI: 10.1126/science.aba5229) berichtet, basiert die neue Entdeckung auf Daten der NASA-Sonde „MAVEN“ (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN), die seit 2014 aus einer Umlaufbahn die Zusammensetzung der oberen Marsatmosphäre erforscht

„Wir wissen, dass es vor Jahrmilliarden flüssiges Wasser auf der Marsoberfläche gab“, erläutert Stone und führt dazu weiter aus: „Es muss damals eine dichtere Atmosphäre gegeben haben als heute, die mehrheitlich irgendwie ins All verloren ging. Mit MAVEN versuchen wir die Vorgänge, die für diesen Verlust verantwortlich waren und sind zu ergründen. Ein Teil dieser Faktoren ist auch die Frage, wie genau der Mars einst sein Wasser verloren hat.“

Mit dem “Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer” (NGIMS) an Bord der Sonde haben die MAVEN-Wissenschaftler und -Wissenschaftlerinnen das Vorkommen geladener Wassermoleküle, sogenannter Ionen, in der oberen Marsatmosphäre rund 160 Kilometer ermittelt. Aus diesen Informationen können die Forscher dann auf die Menge an Wasser in der Atmosphäre rückschließen.

Frühere Beobachtungen mit MAVEN und dem Weltraumteleskop „Hubble“ hatten bereits gezeigt, dass der Wasserverlust aus der Marsatmosphäre mit den Jahreszeiten variiert. Im Vergleich zur Erde umkreist der Mars die Sonne auf einer leicht elliptischeren Bahn und kommt ihr so im südlichen Marssommer am nächsten.

Das Team um Stone hat nun herausgefunden, dass wenn der Mars der Sonne am nächsten ist und sich der Planet entsprechend erwärmt, auch mehr des an der Oberfläche als Eis gebundenen Wassers in die oberen Atmosphärenschichten gelangt und von hier aus ins All entschwindet. Dieser Vorgang ereignet sich einmal pro Marsjahr. Jährliche regionale Staubstürme und die sich etwa alle 10 Jahre ereignenden globalen Staubstürme führen zudem zu einer weiteren Erwärmung der Atmosphäre und damit einhergehend auch zu einer gesteigerten Aufwärtsbewegung und Verlust des Wassers.

„Der Vorgang, der diese zyklische Bewegung des Wassers möglich macht, widerspricht der klassischen Vorstellung vom Wasserschwund auf dem Mars und zeigt so, dass die bisherigen Vermutungen unvollständig sind“, erläutert Stone und führt dazu weiter aus: „Laut der bisherigen Meinung wird das auf der Marsoberfläche vorhandene Wassereis in Gas umgewandelt und durch die Sonneneinstrahlung in der unteren Atmosphäre zerstört. Dieser Prozess würde aber eher langsam ablaufen und bliebe von den Jahreszeiten und Staubstürmen unbeeinträchtigt. Das wiederum deckt sich aber nicht mit den jüngsten Beobachtungen. Diese Erkenntnis ist wichtig, weil wir deshalb bislang auch gar nicht erst nicht erwartet hatten, Wasser in der oberen Mars-Atmosphäre zu finden. (…)

Vergleich wir Mars mit der Erde, so stellen wir fest, dass das Wasser auf der Erde relativ nah an die Erdoberfläche gebunden ist, – ein Bereich, der als Hygropause bezeichnet wird und jene Schichten der Erdatmosphäre beschreibt, die kalt genug sind, als dass das Wasser hier kondensieren kann, statt weiter aufwärts zu entfliehen.

Die Forschenden um Stone erläutern weiter, dass das Wasser des Mars jedoch über die dortige Hygropause hinausweicht, – vermutlich, weil diese zu warm ist, um den Wasserdampf hier aufzuhalten. „Sobald das Wasser dann aber die oberen Atmosphärenschichten erreicht hat, werden die Moleküle durch Ionen binnen weniger Stunden aufgebrochen, und entschwinden so ins All.“

Es sei der Verlust der dichten Atmosphäre und des Wassers ins All, der für die Abkühlung und das Austrocknen des Mars hauptsächlich verantwortlich war. „Die MAVEN-Daten zeigen nun, dass dieser Prozess bis heute andauert”, so Stone.

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Als das Team dann die Ergebnisse rund eine Million Jahre zurückdatiert extrapolierte, zeigte sich, dass durch den beschriebenen Vorgang in diesem Zeitraum dem Mars so viel Wasser verloren ging, dass diese Wassermenge einen globalen Ozean von rund 30 Zentimetern Tiefe hätte füllen können. „Weitere 14 Zentimeter wären alleine durch die zusätzlich von globalen Staubstürmen erzeugten Effekte verloren gegangen, da diese 20 Mal mehr Wasser in die oberen Atmosphärenschichten verbringen.“ So könnte laut Stone und Kollegen ein 45 Tage währender globaler Staubsturm die gleiche Menge an Marswasser ins All entschwinden lassen, wie diese unter „friedlichen“ Bedingungen während eines Marsjahres (687 Erdentage) verloren geht.

Während die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ihre Daten nicht mehr als eine Million Jahre zurückdatiert extrapolieren können, gehen sie dennoch davon aus, dass der beschriebene Prozess sich vor dieser Zeit nicht ebenso abgespielt hat, weil der Mars vor diesem Zeitraum vermutlich über eine noch stärkere Hygropause verfügte. „Bevor dieser Prozess einsetzte, muss es bereits einen signifikanten Atmosphären- und Wasserschwund gegeben haben“, so Stone abschließend. „Wir müssen also noch herausfinden, welchen Einfluss dieser Prozess damals hatte und wann er einsetzte.“

Zukünftig wollen Stone auch die Atmosphäre des Saturnmondes Titan untersuchen, da in dieser organisch-chemische Prozesse eine bedeutende Rolle spielen.

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Quelle: University of Arizona

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Andreas Müller

Autor und Publizist