Neuer Einblick in die Mars-Atmosphäre

Raumsonde MAVEN am Mars (Foto: NASA/GSFC)
Diffuse Polarlichter auf der Nordhalbkugel des Mars (University of Colorado)

Der Mars ist der am häufigsten von unseren Raumsonden besuchte Planet. Trotzdem gibt Vieles auf ihm noch immer Rätsel auf. Die NASA-Raumsonde MAVEN hat nun neue Daten zur Atmosphäre des Roten Planeten geliefert – und auch einige Überraschungen. In gleich vier Veröffentlichungen berichten Forscher von den Ursachen für die diffusen Polarlichter des Mars, von der Reaktion der Marsatmosphäre auf einen Sonnensturm und der Zusammensetzung der Ionosphäre. Zudem klären sie die Frage, woher der feine Staub stammt, der in bis zu tausend Kilometern Höhe um den Roten Planeten kreist.

Rätselhafter Staubschleier

Die NASA-Sonde Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) hat vor gut einem Jahr den Orbit des Roten Planeten erreicht. Ihre Aufgabe ist es, die Prozesse in der Marsatmosphäre näher zu erkunden – von der Zusammensetzung über physikalische Parameter bis hin zu Details des marsianischen Magnetfelds. Eine der mit Spannung erwarteten Fragen war, woher der seltsame orbitale Staub des Roten Planeten stammt. Denn selbst die stärksten Staubstürme des Mars schaffen es nicht, Staub mehr als rund 150 Kilometer hoch zu schleudern. Dennoch beobachteten Astronomen schon mehrfach rätselhafte Schleier im Umfeld des Planeten, die weit höher hinausragten: Sie erreichten 200 bis 1000 Kilometer Höhe. "Aber es gibt keinen bisher bekannten physikalischen Prozess, der Staubteilchen von einem bis 20 Mikrometern Größe so hoch katapultieren kann", erklären Laila Andersson von der University of Colorado in Boulder und ihre Kollegen. Woher also kommt der rätselhafte Staub?

Anhand der MAVEN-Daten haben die Forscher dies genauer untersucht. Theoretisch wäre es möglich, dass die beiden Marsmonde Phobos und Daimos sich als Staubschleudern betätigen. Doch wie die Analysen ergaben, passt dies nicht zur Verteilung des orbitalen Staubs: "Staub von den Monden müsste auf ihre Bahnen begrenzt sein und daher einen doughnutförmigen Ring um den Marsäquator bilden", so Andersson und ihre Kollegen. Doch der marsianische Staubschleier ist nahezu gleichmäßig über den Planeten verteilt. Nach Ansicht der Forscher kommt daher nur eine Quelle in Frage: interplanetarer Staub. Die Größe der Partikel, ihre Geschwindigkeit von rund 18 Kilometern pro Sekunde und ihre Verteilung stimmen demnach gut mit einem Ursprung im All überein. Wie sie errechneten, treffen immerhin 0,1 bis drei Kilogramm interplanetarer Staub pro Sekunde auf die Marsatmosphäre. Zum Vergleich: Auf der ein Drittel größeren Erde sind es zwischen 0,6 und 30 Kilogramm pro Sekunde.

Diffuse Polarlichter

Im Dezember 2014 lieferte die Sonde eine weitere Entdeckung: Sie wies nach, dass es auf dem Mars nicht nur lokal begrenzte, diskrete Polarlichter gibt, sondern auch diffuse Auroren. Diese erstrecken sich über nahezu die gesamte Nordhalbkugel und leuchten damit auch dort, wo der Mars kein lokales Magnetfeld besitzt. Denn im Gegensatz zum geordneten Dipolfeld der irdischen Magnetosphäre ist das Magnetfeld des Mars eher fleckig: An einigen Stellen hat die Marskruste ihre Magnetisierung behalten, so dass dort die Magnetfeldlinien lokale Bögen bilden. An anderen Stellen jedoch ist das Magnetfeld kaum vorhanden. Nick Schneider von der University of Colorado und seine Kollegen haben nun herausgefunden, wie und warum dort die diffusen Auroren des Mars entstehen. Wie die Forscher berichten, treten die diffusen Polarlichter des Mars ähnlich wie auf der Erde vor allem dann auf, wenn ein Sonnensturm den Planeten trifft.

Als sich ein solcher energiereicher Teilchenstrom im Dezember 2014 ereignete, registrierte die MAVEN-Sonde fünf Tage lang ausgedehnte Auroren auf der Nordhalbkugel des Planeten. "Dabei gab es offenbar keine Korrelation zwischen der geografischen Lage der Aurora und ihrer Helligkeit", berichten Schneider und seine Kollegen. Dafür hatte die Stärke der Polarlichter einen klar erkennbaren Peak in rund 70 Kilometern Höhe. Dies jedoch, so erklären die Wissenschaftler, spricht dafür, dass sehr energiereiche Partikel in die Marsatmosphäre eindringen und dort mit den Gasteilchen wechselwirken. Und im Gegensatz zu lokalen Auroren des Mars und den typischen Polarlicht-"Vorhängen" auf der Erde werden diese Partikel nicht erst im Magnetfeld des Planeten beschleunigt. Stattdessen erhielten sie ihr Tempo schon bei ihrem Ausschleudern auf der Sonne und rasen dann ungebremst bis tief in die Marsatmosphäre hinein. Möglich wird dies, weil an den meisten Stellen auf dem Mars nur schwache, offene Feldlinien senkrecht auf der Oberfläche stehen. Sie leiten die Teilchen des Sonnensturms daher direkt in die dünne Atmosphäre hinein. "Das spricht dafür, dass diffuse Auroren praktisch überall auf dem Mars vorkommen könnten", so Schneider und seine Kollegen.

Mehr zur Wechselwirkung von Marsatmosphäre und Sonnenstürmen haben Bruce Jakosky von der University of Colorado und seine Kollegen herausgefunden. Sie weisen anhand der MAVEN-Daten nach, dass die Ionosphäre des Mars bei jedem größeren Sonnensturm beträchtliche Mengen an Gas verliert. Dieser verstärkte Verlust könnte gerade in der Frühzeit des Planeten eine große Rolle gespielt haben und erklären, warum die Marsatmosphäre heute so dünn ist. Stephen Bougher von der University of Michigan in Ann Arbor und seine Kollegen haben Messdaten zur thermischen und chemischen Struktur der oberen Atmosphäre des Mars ausgewertet. Dabei zeigte sich, dass dort fast fünfmal mehr Sauerstoff vorkommt als bisher angenommen. Zudem variiert die Dichte und Zusammensetzung der oberen Marsatmosphäre überraschend stark – sowohl zeitlich als auch lokal. Die Forscher führen dies auf Schwerewellen in der Gashülle des Planeten zurück und auf die Interaktion mit lokalen Magnetfeldern. "Die von MAVEN enthüllte Ionosphäre des Mars ist damit hochdynamisch", konstatieren die Forscher.

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