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Astronomie+Physik

Wärme für den jungen Mars

Eiswolken
Hohe Eiswolken auf dem heutigen Mars. (Bild: NASA/JPL/MSSS)

Der Mars war früher wärmer und feuchter als heute – so viel scheint klar. Strittig ist jedoch bislang, woher unser Nachbarplanet damals seine Wärme nahm, denn das Sonnenlicht und die Atmosphärendichte reichten dafür eigentlich nicht aus. Jetzt präsentieren Forscher eine mögliche Erklärung: Hohe Eiswolken in der Atmosphäre des Mars könnten ausgereicht haben, um den Planeten mit ihrem Treibhauseffekt aufzuheizen. Dadurch könnte die Marsoberfläche trotz geringer Sonneneinstrahlung Mitteltemperaturen von knapp unter Null Grad erreicht haben. Das hätte genügt, um stellenweise flüssiges Wasser und Seen zu ermöglichen.

Heute ist der Mars ein kalter, trockener Planet, aber das war nicht immer so: Aufnahmen und Messdaten von Rovern und Orbitersonden belegen, dass es auf unserem Nachbarplaneten vor mehr als drei Milliarden Jahren auch Flüsse und Seen gegeben haben muss. Daher müsste das Marsklima damals warm und feucht genug gewesen sein, um zumindest zeitweise flüssiges Wasser zu erlauben. Doch wie dies möglich war, ist strittig. Denn Modellen zufolge erhielt der Mars damals nur rund ein Drittel der Sonneneinstrahlung, die heute auf die Erde trifft. Seine Atmosphäre war zwar etwas dichter als heute, erreichte aber neueren Berechnungen nach möglicherweise nicht viel mehr als 0,5 bis 1,3 Bar. Das aber wäre zu wenig gewesen, um mittels Treibhauseffekt die mittleren Temperaturen auf den Gefrierpunkt oder knapp darüber zu bringen.

Eiswolken als Wärmedecke?

„Damit gibt es eine fast beschämende Lücke zwischen den Beobachtungen und unserer Fähigkeit, sie physikalisch und chemisch zu erklären“, sagt Erstautor Edwin Kite von der University of Chicago. Er und sein Team haben eine der diskutierten Hypothesen dazu nun noch einmal näher untersucht. Nach dieser könnten hohe Wassereiswolken für den nötigen Treibhauseffekt gesorgt haben. „Berechnungen haben gezeigt, dass schon die geringe Menge von 0,01 Kilogramm Wasser pro Quadratmeter in Form solcher Eiswolken die planetare Temperatur um 50 Kelvin erhöht haben könnte“, erklären die Forscher. Allerdings ergaben bisherige Studien, dass solche Wolken unrealistische Eigenschaften besitzen müssten, um den nötigen Wärmeeffekt zu erzielen. So müsste das Wasser in diesen Wolken um das Hundertfache länger in ihnen bleiben als bei irdischen Wolken, was bislang als physikalisch unplausibel galt.

Ob es auf dem Mars überhaupt genügend Eiswolken gegeben haben könnte und welchen Effekt sie gehabt hätten, haben Kite und sein Team nun noch einmal in einer Modellsimulation untersucht. Im Unterschied zu vorhergehenden Untersuchungen bezogen sie dabei auch die Wechselwirkung zwischen den hohen Wolken und Wasser- oder Eisreservoiren auf der Marsoberfläche mit ein. Konkret gingen sie in ihrem Modell von 80 Prozent der heutigen Sonnenleuchtkraft und einem Druck der Marsatmosphäre von 0,6 Bar aus. „Wir betrachten dabei einen anfänglich kalten, trockenen Planeten, auf dem oberflächliches Wasser(eis) zunächst auf die Südpolarregion und Höhenlagen von mehr als vier Kilometern beschränkt ist“, erklären die Forscher. Nach kurzer Zeit gelangt dennoch genügend Wasserdampf in die Marsatmosphäre, um erste dünne Wolken in großer Höhe kondensieren zu lassen. „Diese streuen in den niedrigen Breiten rund die Hälfte des einfallenden Sonnenlichts auf die Oberfläche, aber der größte Teil der zurückkommenden langwelligen Strahlung wird von den hohen, kalten Wolken aufgehalten und zurückgeworfen“, so Kite und seine Kollegen.

Warm genug für eisbedeckte Seen

Dieser Prozess führte in der Simulation schon nach kurzer Zeit zu einem Treibhauseffekt, der die globalen Mitteltemperaturen auf rund 265 Kelvin anhob – etwa minus acht Grad Celsius. „An fast allen bekannten Standorten mit Paläoseen finden wir Temperaturen von mehr als minus fünf Grad Celsius und tagsüber mehreren Stunden mit Werten um null Grad“, berichtet das Team. „Das ist deutlich wärmer als die Schwelle, die in den antarktischen Trockentälern die Bildung großer, mehrjähriger eisbedeckter Seen erlaubt.“ Das Klima dieses frühen Mars wäre damit insgesamt eher trocken, aber warm genug für zumindest zeitweise flüssiges Wasser. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Marsoberfläche anfangs nicht zu wasserreich ist, wie die Forscher betonen. Denn wenn auch in den Ebenen und näher am Äquator große Flächen von Wassereis bedeckt sind, entstehen durch die Verdunstung dieses Wassers dicke, niedrige Wolken, die nur einen geringen Treibhauseffekt bewirken. Zudem wäre dann der Wasserkreislauf des Mars zu aktiv und erdähnlich, um die hohen Eiswolken lange aufrechtzuerhalten.

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„In unserem Modell verhalten sich diese Marswolken ziemlich unirdisch“, sagt Kite. „Der Kreislauf auf dem Mars ist anders als der auf der Erde, in dem Wasser sehr schnell zwischen Atmosphäre und Oberfläche ausgetauscht wird.“ Auf dem frühen, eher trockenen Mars ist dieser Austausch dagegen eingeschränkt: Wenn Wasserdampf einmal aufgestiegen und zu hohen Eiswolken auskristallisiert ist, bleibt er dort zumindest abseits der kalten Polargebiete und Höhenlagen gut ein Jahr erhalten – auf der Erde sind es nur rund zehn Tage. Der Grund ist der hohe Temperaturgegensatz zwischen den kalten Wolken und der wärmeren Luft darunter. Dadurch können aus der Wolke fallende Eispartikel schon knapp darunter wieder sublimieren und zu Wasserdampf werden – und so die Wolkenunterseite mit neuer Feuchtigkeit anreichern. „Das erzeugt die Bedingungen für langlebige Höhenwolken“, so Kite. Diese wiederum könnten das Klima des jungen Mars zumindest in einigen Regionen und für einige Zeit genügend angeheizt haben, um trotz der geringen Sonneneinstrahlung und dünnen Atmosphäre flüssiges Wasser zu ermöglichen. Hinweise darauf, dass dieses Modell stimmt, könnte der Marsrover Perseverance finden. Denn wie die Forscher erklären, könnten die von ihm gesammelten und von einer künftigen Mission zur Erde zurückgebrachten Gesteinsproben chemische Indizien für diese Mechanismen liefern.

Quelle: Edwin S. Kite (University of Chicago) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2101959118

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