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Astronomie+Physik

Marswinde im Blick

Marsatmosphäre
Daten der MAVEN-Raumsonde liefern neue Einblicke in die Dynamik der oberen Marsatmosphäre. (Bild: NASA)

Obwohl die Marsatmosphäre sehr dünn ist, gibt es auch auf dem Roten Planeten Wind und sogar Staubstürme. Wie diese Winde in den oberen Schichten der marsianischen Gashülle zirkulieren und von welchen Faktoren sie beeinflusst werden, haben nun erstmals Forscher ermittelt. Für ihre Studie programmierten sie eigens ein Instrument der MAVEN-Raumsonde der NASA um. Die Daten enthüllen, dass die Zirkulationsmuster über die Jahreszeiten hinweg deutlich stabiler sind als auf der Erde. Überraschend jedoch ist der große Einfluss der Mars-Topografie auf Windströmungen noch in 120 bis 300 Kilometern Höhe – dies gibt es auf der Erde nicht.

Auf der Erde beginnt die Thermosphäre in rund 80 bis 120 Kilometern Höhe. Hier, oberhalb der Ozonschicht, ist die Lufthülle schon sehr dünn. Ihre Bewegungen werden nicht nur von den Strömungen der darunterliegenden, dichteren Atmosphärenschichten beeinflusst, sondern auch vom Sonnenwind und dem Magnetfeld. Dadurch gibt es auch in dieser Zone Winde und Zirkulationsmuster. Schon auf der Erde sind diese aber relativ schwer zu kartieren und zu überwachen, noch schwieriger ist dies auf dem Mars. Denn es gibt zwar einige Raumsonden im Marsorbit, bisher aber besaß keine davon die passenden Messinstrumente, um die Dynamik der marsianischen Thermosphäre einzufangen.

Messinstrument umprogrammiert

Doch Mehdi Benna vom Goddard Space Flight Center der NASA und seine Kollegen hatten eine Idee: Die NASA-Sonde Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) besitzt ein Messgerät, das eigentlich nur die Zusammensetzung der Marsatmosphäre und dessen Veränderungen im Laufe der Zeit misst. Man könnte aber dieses Natural Gas and Ion Mass Spectrometer (NGIMS) so modifizieren, dass es größere Bereiche der Atmosphäre auf einmal abtasten und so auch Strömungen erfassen kann, wie die Forscher herausfanden. Dafür allerdings muss das normalerweise unbewegliche Instrument so umprogrammiert werden, dass es während der Messungen regelmäßige, schnelle Schwenks durchführt. Nach einigen Diskussionen überzeugten Benna und seine Kollegen das MAVEN-Missions-Team, der Sonde die entsprechenden Befehle zu übermitteln. Von 2016 bis 2018 konnte MAVEN so die Thermosphäre auch in ihrer Dynamik vermessen.

Jetzt haben die Forscher diese Daten ausgewertet – und einige überraschende Ergebnisse erhalten. Generell zeigte sich, dass die langfristigen Windmuster der Thermosphäre auf dem Mars relativ stabil sind und weitgehend mit den theoretischen Modellen übereinstimmen. Demnach strömen die Gase tagsüber vorwiegend vom Äquator im Bogen zu den Polen. Die typischen Strömungsmuster der Jahreszeiten sind auf dem Mars aber stabiler als auf unserem Planeten, wie die Forscher berichten. Deutlich überraschender jedoch waren die kurzfristigen und kleinräumigeren Fluktuationen der Marswinde. Denn die MAVEN-Daten enthüllten, dass die Strömungen der Gase selbst in weit mehr als 120 Kilometern Höhe noch deutlich von der Topografie der Marsoberfläche beeinflusst werden. Landschaftsformen wie Canyons, Gebirge oder Senken erzeugen messbare Wellenmuster in der Thermosphäre. „Auf der Erde sehen wir zwar ähnliche Wellen, aber nicht in so großen Höhen“, sagt Benna. „Das war eine große Überraschung, dass diese Wellen bis in 280 Kilometer Höhe reichen können.“

Gebirgswellen bis in große Höhen

Warum ausgerechnet die Marsatmosphäre so sensibel auf die Topografie reagiert, ist noch nicht abschließend geklärt. Benna und sein Team vermuten aber, dass dafür zwei Faktoren eine Rolle spielen. Zum einen sind die Höhenunterschiede in der Marslandschaft weit extremer als auf der Erde – der Vulkan Olympus Mons ist beispielsweise 22 Kilometer hoch. Zum anderen entstehen durch die Wechselwirkung der unteren Atmosphäre mit diesen Landschaftsformen Schwerewellen, auch als orographische Wellen bezeichnet. Diese stationären Dichtewellen kommen auch auf der Erde über Gebirgen vor. „Diese Schwerewellen transportieren ihre Energie und ihren Impuls aufwärts bis in die mittlere und obere Atmosphäre“, erklären Benna und seine Kollegen. „Dass sie aber bis in die von MAVEN erfassten Höhen reichen, hatten wir nicht vorhergesehen.“ Doch weil die Marsatmosphäre so dünn ist, können sich diese Wellen dort vermutlich besonders weit nach oben ausbreiten – und beeinflussen so auch die Strömungen in der Thermosphäre.

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Diese neuen Erkenntnisse liefern nicht nur ein vollständigeres Bild über die Dynamik der Atmosphäre auf unserem Nachbarplaneten, sie erlauben auch Rückschlüsse auf die irdischen Thermosphäre. „Wir mussten erst diese Messungen auf dem Mars machen, um auch auf der Erde dieses Phänomen besser zu verstehen“, sagt Benna. Doch noch stehen die Forscher damit erst am Anfang. „Wir werden die Messungen weiterführen und wir haben noch einige Jahre der Modellierung und Analyse vor uns“, betont der Forscher.

Quelle: Mehdi Benna (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt) et al., Science, doi: 10.1126/science.aax1553

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