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Astronomie|Physik

Protonen-Aurora des Mars ist „fleckig“

Mars-Aurora
Aufnahmen der Mars-Aurora in den Wellenlängen 102,6 Nanometer (links) und 121,6 Nanometer mit dem UV-Spektrometer EMUS. © EMM/EMUS

Obwohl der Mars kein globales Magnetfeld hat, gibt es auch auf ihm Polarlichter – sogenannte Protonen-Auroren. Sie entstehen durch die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der oberen Marsatmosphäre und wurden 2018 anhand von Daten der NASA-Sonde MAVEN erstmals nachgewiesen. Jetzt haben Planetenforscher Näheres zu dieser Protonen-Aurora herausgefunden. Anders als vorher angenommen tritt diese im ultravioletten Licht sichtbare Leuchterscheinung offenbar nicht gleichmäßig verteilt über der gesamten Tagseite des Planeten auf, sondern variiert zeitlich und räumlich stark. Die Wissenschaftler vermuten, dass diese Spielart der Leuchterscheinung auf Turbulenzen im Marsumfeld zurückgeht. Welche Mechanismen genau dahinter stecken, muss allerdings noch geklärt werden.

Polarlichter sind auf der Erde nichts Ungewöhnliches. Die grünlich oder rötlich leuchtenden Himmelsschlieren entstehen, wenn energiereiche Teilchen des Sonnenwinds – meist Elektronen – vom Erdmagnetfeld abgelenkt und beschleunigt werden und dann mit den Gasteilchen der Ionosphäre wechselwirken. Durch Kollisionen mit den energiereichen Elektronen werden die Gasmoleküle angeregt und geben bei der Rückkehr in ihren Grundzustand überschüssige Energie in Form von Licht wieder ab. Die zu den Polen verlaufenden Magnetfeldlinien führen dazu, dass sich die irdischen Polarlichter in den polaren Breiten konzentrieren – dort ist der schützende „Magnetkäfig“ durchlässiger für den Sonnenwind. Auch auf anderen Planeten mit einem starken Magnetfeld wie dem Jupiter oder Saturn wurden schon Polarlichter beobachtet. Der Mars hingegen hat kein globales Magnetfeld, gängiger Lehrmeinung nach dürfte er daher keine Auroren bilden.

Mars: Aurora auch ohne Magnetfeld

Doch schon im Jahr 2018 belehrte der Mars die irdischen Wissenschaftler eines Besseren: Daten der NASA-Raumsonde MAVEN enthüllten, dass bei Sonnenstürmen die gesamte Tagseite des Planeten ein schwaches ultraviolettes Leuchten abgibt – eine großflächige Aurora. Nähere Analysen ergaben, dass dafür die Protonen des Sonnenwinds eine entscheidende Rolle spielen. Wenn sie auf die Ionosphäre des Roten Planeten stoßen, reagieren sie mit den dort vorhandenen geladenen Teilchen und wandeln sich vorübergehend in neutralen Wasserstoff um. Das wiederum ermöglicht es ihnen, trotz der ablenkenden „Bugwelle“ der Ionosphäre in die Marsatmosphäre einzudringen. Dort geben diese Teilchen wieder einen Teil ihrer Energie ab und erzeugen so das UV-Licht. In bisherigen Beobachtungen durch MAVEN und die Mars-Express-Raumsonde der europäischen Raumfahrtagentur ESA erschien die marsianische Protonen-Aurora als gleichmäßig helle Fläche, die sich über die gesamte Tagseite des Planeten erstreckt.

Was sich hinter diesem scheinbar gleichmäßigen Leuchten verbirgt, haben nun Michael Chaffin von der University of Colorado in Boulder und seine Kollegen herausgefunden. Für ihre Studie hatten sie neue Messdaten der MAVEN-Sonde und des UV-Spektrografen (EMUS) der Marssonde „Hope“ von den Vereinten Arabischen Emiraten ausgewertet. „Die globalen Beobachtungen der oberen Marsatmosphäre durch diese Sonde liefern uns eine einzigartige Perspektive auf eine Region, die für die MAVEN-Beobachtungen entscheidend ist“, erklärt Co-Autorin Shannon Curry von der University of California in Berkeley. „Diese Art der simultanen Beobachtungen geben Aufschluss über die grundlegende Physik der atmosphärischen Dynamik.“

Erster Nachweis einer „fleckigen“ Protonen-Aurora

Die Auswertungen der Daten beider Sonden ergaben, dass die Protonen-Aurora des Mars deutlich weniger gleichmäßig ist als gedacht. Stattdessen zeigen sich starke Unterschiede in der zeitlichen und räumlichen Intensität der UV-Strahlung. „Wir präsentieren damit die ersten definitiven Belege für eine räumlich lokalisierte, ‚fleckige‘ Protonen-Aurora auf dem Mars“, berichtet das Forschungsteam. Ihren Annahmen nach geht diese lückenhafte Verteilung der Aurora auf Turbulenzen zurück, die bei der Interaktion von Sonnenwind und Mars-Ionosphäre entstehen. „Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass das Plasma-Umfeld des Mars ziemlich gestört sein muss“, erklärt Chaffin. „Das reicht so weit, dass der Sonnenwind an den Stellen, an denen wir die starke Aurora-Emission beobachteten, direkt in die obere Mars-Atmosphäre eindringen konnte. Was wir als Aurora gesehen haben, war daher im Prinzip eine Karte, die uns zeigt, wo der Sonnenwind auf den Planeten hinabregnet.“

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Noch ist nicht im Detail geklärt, wie diese Turbulenzen in der Mars-Ionosphäre und in der Protonen-Aurora zustande kommen. „Auch die Auswirkungen dieser Bedingungen auf die Marsatmosphäre sind noch unbekannt“, sagt Chaffin. Aber er und sein Team hoffen, dass die beiden Raumsonden MAVEN und Hope durch ihre sich ergänzenden Daten zur weiteren Aufklärung beitragen werden.

Quelle: Michael Chaffin (University of Colorado, Boulder) et al., Geophysical Research Letters, doi: 10.1029/2022GL099881

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