Leises Wetter kann auch stürmisch sein

Eines ist dabei besonders auffällig: Viele Wolken erscheinen nur saisonal oder an bestimmten Orten, etwa über Vulkanen oder Kraterrändern. Manche sind diffus und kurzlebig, andere langgestreckt und stabil. Wieder andere scheinen regelmäßig zur gleichen Tageszeit aufzutauchen – ein Hinweis auf atmosphärische Zyklen, die noch nicht vollständig verstanden sind und deshalb den Forschergeist wecken: Wie entstehen die verschiedenen Wolkentypen? Und wo tauchen sie in welchen Mustern oder Zyklen auf?

Adleraugen über dem Roten Planeten

Antworten versprechen die Bilder eines ganz besonderen Instruments: der High Resolution Stereo Camera, kurz HRSC, die seit über 20 Jahren auf dem Satelliten Mars Express um den Roten Planeten kreist. Sie scannt den Planeten gleichzeitig aus neun unterschiedlichen Blickwinkeln. Der leichte perspektivische Versatz sorgt dafür, dass daraus ein räumliches, fast plastisches Gesamtbild entsteht. Spektralfilter helfen dabei, dass auch Farbinformationen realistisch eingefangen werden. Das Ergebnis ist eine perfekte 3D-Kartierung von Bergen und Kratern. Und eine völlig neue Perspektive: „Wir sehen nicht nur, dass eine Wolke da ist, sondern oft auch, wie hoch sie liegt und wie sie sich bewegt“, freut sich Daniela Tirsch.

Doch wie findet man nun das Bild der einen Wolke, die Mars Express vielleicht vor Monaten zur Erde gefunkt hat und der nun ein Kollege seine Forschung widmen möchte? Die Frage stand am Anfang dessen, was heute als Wolkenatlas des Roten Planeten im Internet zu finden ist: kein klassisches Kartenwerk, vielmehr eine strukturierte Datenbank.

Für diesen Datenschatz hat sich Daniela Tirsch durch einen riesigen Berg an Bildern gearbeitet. Jedes Wolkenbild hat sie katalogisiert – mit Bildnummer, Datum, Zeit, Ort, Jahreszeit, Wolkenart und einer Voransicht. Nun lässt sich gezielt suchen: nach saisonalen Mustern, nach Phänomenen, die nur bei einem bestimmten Sonnenstand auftreten. Oder einfach nur nach Aufnahmen von großer Ästhetik, die der breiten Öffentlichkeit einen Einblick in die Forschung geben.

Was Wolken verraten können

Inzwischen ist der Wolkenatlas eine feste Größe in der Marsforschung. Atmosphären- und Klimaforscher nutzen ihn ebenso wie Planetengeologen, die bestimmte Regionen mit möglichst wolkenfreien Bildern analysieren wollen. „Es gibt viele Schnittstellen – zum Beispiel zur Visual Monitoring Camera, ebenfalls auf Mars Express, oder zu Instrumenten auf dem Mars Reconnaissance Orbiter der NASA“, sagt sie. „Wenn wir ähnliche Wolkenformationen auf verschiedenen Bildern sehen, können wir viel besser verstehen, wie sie entstehen.“ Die internationale Zusammenarbeit ist dabei unverzichtbar: „Jede Mission hat ihre Stärken. Wenn wir die kombinieren, kommen wir dem Marswetter Schritt für Schritt näher.“

Ebenfalls sehr eng ist die Zusammenarbeit mit dem Kamera-Team der ExoMars-Sonde Trace Gas Orbiter, kurz TGO. Deren Kamera CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) liefert hochaufgelöste Aufnahmen in leicht anderen Spektralkanälen – ideal, um die HRSC-Bilder zu ergänzen.

„Es gibt einen Wolkentyp, der vorher noch gar nicht bekannt war: die Elongated Dust Clouds, also langgestreckte Staubwolken“, erzählt Daniela Tirsch. „Die habe ich in einem bestimmten Breitengradbereich der Südhemisphäre entdeckt.“ Die Zeiten und Regionen, in denen die Forscherin die Wolken regelmäßig antrifft, hat sie nun ans CaSSIS-Team weitergereicht, sodass es die Kamera gezielt dorthin ausrichten kann. „Wenn es die Wolken auch erwischt, haben wir Vergleichsdaten von einem ganz anderen Instrument – das ist natürlich sehr wertvoll.“

Dynamischer Mars

Auf diese Weise entsteht eine Art koordinierte Atmosphärenbeobachtung, die nicht nur die Wolkenklassifikation verbessert, sondern auch Aufschluss über physikalische Prozesse in verschiedenen Höhenlagen gibt. Der Atlas wird damit zum Dreh- und Angelpunkt einer neuen Forschungsphase zur Marsatmosphäre.

Denn die Wolken liefern wertvolle Hinweise auf die Prozesse, die über den Tag oder die Jahreszeiten hinweg in der dünnen Gashülle des Roten Planeten ablaufen. Wann und wo bestimmte Wolkentypen entstehen, verrät einiges über Temperaturverläufe, Windströmungen, Kondensationszonen, Staubverlagerung und lokale Besonderheiten – etwa an Vulkanhängen, Kraterrändern oder Höhenzügen.

Besonders interessant sind tageszeitliche Zyklen: Einige Wolken erscheinen fast pünktlich zum Sonnenauf- oder -untergang, andere bilden sich bevorzugt am Nachmittag, wenn die Oberfläche sich aufgeheizt hat. Diese Regelmäßigkeit hilft, Luftbewegungen nachzuvollziehen, die sich mit klassischen Messmethoden kaum erfassen lassen. Denn nur zwei derzeit aktive Wetterstationen auf Rovern sowie einige Messinstrumente im Marsorbit liefern bislang Informationen zum Wettergeschehen.

Das Wissen über Windrichtungen, Thermik und Feuchtigkeitsschichtungen entsteht aus der Analyse dieser Daten – ergänzt durch Höhenmodelle, Simulationsrechnungen und die Auswertung optischer Bilddaten. Der Wolkenatlas dient dabei als Suchmaske: Er zeigt, wo sich Wolken mit bestimmten Eigenschaften und Merkmalen häufen, wo sie saisonal auftauchen oder wo sie ganz fehlen.

Auch für künftige Marsmissionen sind diese Daten relevant. Wer landen oder starten will, muss wissen, wo sich aufsteigende Luftströme bilden oder wo sich in den Morgenstunden Dunstschleier durch Täler ziehen. Denn die sind nicht nur Beiwerk, sondern Vorboten dessen, was in der Atmosphäre tatsächlich geschieht. Und das ist nicht immer friedlich und still.

Staubteufel und Wolkenhaufen

Wenn die Sonne tagsüber den Boden aufheizt, darüber noch kalte Luftschichten liegen, entstehen in einigen Gegenden mehrere Kilometer hohe Staubspiralen, die über die Landschaft fegen. Sie verdunkeln wochenlang die Atmosphäre – und können ganze Missionen gefährden.

„Diese Stürme sind faszinierend, aber aus Datensicht auch eine Herausforderung“, sagt Daniela Tirsch. „Wenn die Atmosphäre voll mit Staub ist, sieht man auf den Bildern natürlich nichts mehr von der Oberfläche – und manchmal auch keine Wolken mehr.“ Dennoch sind Wolken und Staubphänomene kein Widerspruch. Im Gegenteil: Beide sind Teil eines komplexen Systems, das sich über verschiedene Jahreszeiten, Regionen und Höhenlagen hinweg verändert.

Was man wann und wo noch erkennen kann, oder eben nicht, sagt oft mehr über den Zustand der Atmosphäre als über die Phänomene selbst. „Manche Wolkentypen treten zum Beispiel nur dann auf, wenn die Atmosphäre vorher staubfrei war“, weiß Tirsch. In solchen Momenten wird das scheinbar stille Wetter zum hochsensiblen Seismografen für atmosphärische Umbrüche.

Vielleicht könnte die eine oder andere Wolke sogar zur Gefahr für künftige Missionen werden. Zum Beispiel jene Plumes, die Forscherinnen wie Daniela Tirsch vor ein Rätsel stellen. Die frei als Feder, Schwaden oder einfach Wolkenhaufen übersetzten, gewaltigen Erscheinungen treten unvermittelt auf. Ihr Ursprung ist ungeklärt. „Wir wissen nicht, ob sie von unten nach oben aufsteigen oder sich von oben herabsenken“, sagt die Wolkenjägerin. „Und wir können noch nicht sagen, ob sie potenziell gefährlich sind.“ Auch wenn das Phänomen bisher nur vereinzelt beobachtet wurde, könnte es künftige Lander- oder Rovermissionen beeinflussen. Deshalb will das HRSC-Team diese Plumes nun intensiver unter die Lupe nehmen.

Die Beobachtung solcher Phänomene war eigentlich nicht vorgesehen, als Mars Express im Juni 2003 startete. In einer polnahen, stark elliptischen Umlaufbahn sollte die Sonde den Roten Planeten umkreisen und lediglich seine Oberfläche systematisch kartieren. Mit hochauflösenden Aufnahmen gelang es, weite Teile des Mars in nie da gewesener Qualität zu dokumentieren: Vulkane, Täler und Kraterlandschaften.

Von der Topografie zur Nephologie

Inzwischen sind über 99 Prozent der Oberfläche des Planeten erfasst. „Was die Kartierung betrifft, ist die Mission im Grunde fast abgeschlossen“, sagt Daniela Tirsch. „Aber das bedeutet nicht, dass sie überflüssig wird.“

Im Gegenteil: Gerade weil das große Bild nun steht, wird der Blick frei für dynamische Phänomene. Die vielen Fotos der High Resolution Stereo Camera ermöglichen es, Entwicklungen über Jahre hinweg zu verfolgen. Das vermag in dieser Form keine der anderen Marsmissionen zu leisten.

Für die wissenschaftliche Leiterin des Projekts ist die Nephologie, die Wolkenkunde, deshalb mehr als nur ein Forschungsschwerpunkt. Sie liefert auch ein stichhaltiges Argument dafür, die Mission von Mars Express immer wieder zu verlängern. Als Plattform für kontinuierliches Monitoring könnte sie noch viele Jahre lang wertvolle Daten senden, gerade in Verbindung mit neueren Missionen und Instrumenten. Und das vielleicht sogar mit einem Blick auf ganz neue Phänomene – die Beobachtung von Polarlichtern auf dem Roten Planeten sind bereits in Planung. Solche Phänomene gibt es nämlich nicht nur auf der Erde.

Kleine Schritte, große Erkenntnisse

Wenn Daniela Tirsch über die Wolken auf dem Mars spricht, dann mit der Begeisterung einer Naturbeobachterin. Allerdings liegen zwischen ihr und ihren Objekten mehr als 200 Millionen Kilometer. Für sie sind die Marswolken längst mehr als ein wissenschaftliches Objekt. Sie sind eine Einladung, mit Neugier und Geduld, selbst aus vermeintlich nebensächlichen Phänomenen neue Erkenntnisse zu ziehen.

„Das ist wirklich mein Baby“, sagt sie über den Wolkenatlas. „Ich pflege den immer noch selbst: Bild für Bild markieren, eintragen, sortieren. Immer in der Hoffnung, dass man irgendwann ein Muster erkennt.“ Aus dieser Hoffnung wurde eine Struktur und aus der Struktur ein Werkzeug, das heute weltweit genutzt wird. „Wir lernen den Mars nicht in großen Sprüngen kennen, sondern Stück für Stück. Und manchmal führen gerade die kleinen Dinge weiter: eine Wolke, ein Schatten, ein heller Streifen im Bild.“

Deshalb sieht sie ihre Aufgabe nicht nur in der Analyse, sondern auch in der Vermittlung: Ihre Augen leuchten, wenn sie erzählt, wie sie mit „ihren“ Studenten Wolkenbilder durchgeht oder Fachfremden erklärt, wie sich aus Dutzenden ähnlicher Aufnahmen neue Einsichten gewinnen lassen.

Viele Daten, wenig Geld

Und dennoch weiß sie: Die Datenmenge ist gewaltig, die Finanzierung oft knapp. Es braucht sehr viel Eigeninitiative – und Menschen, die bereit sind, Projekte auch dann voranzutreiben, wenn diese auf den ersten Blick wenig Spektakuläres bieten.

„Wenn ich mir etwas wünschen dürfte, dann, dass wir nicht nur auf die ganz großen Fragen nach Wasser, Leben oder Terraforming schauen“, sagt die Wolkenjägerin. „Wir sollten uns auch die Zeit nehmen und lesen, was zwischen den Zeilen steht. Das leise Wetter, das uns zeigt, wie aktiv der Mars heute noch ist.“

Ein neuer Blick auf einen alten Nachbarn kann helfen, Landestellen für künftige Missionen besser zu planen, Risiken durch die Staubstürme abzuschätzen oder den Zustand der Atmosphäre zu verstehen, bevor die ersten Menschen vielleicht einmal den Mars betreten. Die Grundlagen dafür sind akribisch gesammelte Bilder und die geduldige Arbeit an einem Atlas, der mehr ist als ein totes Archiv.

„Man muss dem Mars Zeit geben“, sagt Daniela Tirsch. „Er erzählt seine Geschichte nicht auf einmal. Um das zu erkennen, braucht es manchmal nur einen hellen Schleier am Horizont. ■