Methan, Meteoriten und Staubteufel

Die Daten umfassen einen Zeitraum von drei Mars-Jahren, was knapp sechs Jahren auf der Erde entspricht. Dabei fallen saisonale Änderungen auf: Das Methan wird hauptsächlich im Frühjahr und im Sommer freigesetzt, wenn die Temperaturen vergleichsweise hoch sind. Die methanreichste Wolke enthielt 19.000 Tonnen des Gases. Die höchste Konzentration betrug 45 ppbv, sagen die Forscher. Gegen einen geologischen Ursprung des Methans sprach damals, dass keine anderen vulkanischen Gase gemessen wurden, beispielsweise Schwefeldioxid.

Bemerkenswert ist auch der schnelle Abbau des Methans in der Mars-Atmosphäre innerhalb von maximal einigen Jahren. Eine Zerstörung der Moleküle in der Hochatmosphäre durch die ultraviolette Strahlung der Sonne kann das nicht erklären − dazu wären etwa 350 Jahre nötig. Denkbar ist, so spekulieren manche Forscher, dass eine stark oxidierende Substanz im Mars-Staub die Methan-Moleküle umwandelt, etwa Wasserstoffperoxid.

Mikrometeorite oder Mikroben?

Während Mummas NASA-Kollege Kevin Zahnle ein Fragezeichen hinter die Messungen setzte und Störeffekte durch irdisches Methan als Erklärung ins Feld führte, interpretierten Kollegen aus Deutschland das Mars-Methan in einem ganz anderen Licht: Das Team um Frank Keppler, der damals am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz forschte und heute Professor an der Universität Heidelberg ist, postulierte 2012 im britischen Fachmagazin nature, dass die ursprünglichen Quellen des Gases gar nicht auf dem Roten Planeten liegen, sondern aus dem All stammen: Mikrometeorite und interplanetare Staubteilchen. Mit ihnen sollen nach Schätzungen bis zu 1180 Tonnen Kohlenstoff jährlich auf den Mars stürzen.

Für das Simulationsexperiment verwendete Kepplers Team Proben des Meteoriten Murchison, der 1969 in Australien niedergegangen war. Der Himmelsstein stammt nicht vom Mars, sondern gehört zu einer Gruppe urtümlicher Meteoriten, den sogenannten Kohligen Chondriten. Sie enthalten mehrere Prozent Kohlenstoff und haben eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie der überwiegende Teil der kosmischen Materie, die auf den Mars fällt. Vor dem Experiment wurde eine Probe dieses Analog-Materials fein zermahlen und dann in einem Glasgefäß mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Die Annahme: Da der Mars keine schützende Ozonschicht besitzt, dringt die energiereiche Ultraviolettstrahlung der Sonne fast ungefiltert bis zum Boden.

Beim Experiment entwichen unverzüglich beträchtliche Mengen Methan aus der Meteoritenprobe. Die Methan-Werte waren sogar höher als bei Vergleichsmessungen nach der Bestrahlung pflanzenhaltiger Bodenproben von der Erde. Die Schlussfolgerung Kepplers und seines Teams: Zumindest ein beträchtlicher Anteil des Mars-Methans könnte sich durch Reaktionen der ultravioletten Strahlung mit den Kohlenstoffverbindungen im Meteoritengestein bilden. Es braucht also keine Lebensformen als Erklärung.

Weitere Methan-Indizien

Jetzt könnte die facettenreiche Debatte eine Wendung nehmen. Denn kürzlich wurde eine unabhängige Bestätigung von Curiositys sieben Jahre altem Methan-Maximum gemeldet – und zwar vom altgedienten Mars Express Orbiter der ESA. Ein italienisches Forscherteam hatte Hunderte von Messungen des Satelliten Mars Express über dem Landegebiet von Curiosity neu ausgewertet. Marco Giuranna vom INAF-Weltrauminstitut in Rom kam so auf einen Methan-Wert von 15 ppbv. Curiosity hatte zeitgleich 6 ppbv registriert. Alle anderen Orbiter-Messungen dieser Kampagne blieben dagegen ohne Methan-Nachweis.

Laut der Studie von Giuranna und seinem Team stammt das Gas nicht aus dem Gale-Krater, wo Curiosity gelandet war. Vielmehr vermuten die Wissenschaftler als Quelle ein weiter östlich gelegenes Gebiet: die vulkanisch entstandene Medusae-Fossae-Formation. Satellitenmessungen lassen dort auf Wassereis schließen. Zusammen mit dem Eis könnte Methan hier im Boden existieren und ab und zu aus Brüchen im Gestein zu Tage treten. Ob es sich um biologisches Methan handelt, ist damit noch nicht geklärt. Zudem tragen Resultate des ExoMars-Orbiters zur Verwirrung bei: Die europäische Sonde konnte trotz empfindlicher Bordinstrumente kein Methan in der Atmosphäre feststellen. Das Rätsel ist also noch immer nicht gelöst.

Eine Wasserpumpe in der Mars-Luft

Zu den anderen Spurengasen auf dem Roten Planeten gehört Wasserdampf. Sein Anteil beträgt etwa 0,02 Prozent. Zum Vergleich: In der irdischen Atmosphäre sind es durchschnittlich rund ein Prozent, mit variierendem Anteil. Kürzlich beschrieb ein internationales Team um Dmitry Shaposhnikov vom Moskauer Institut für Physik und Technologie in den Geophysical Research Letters eine Art atmosphärischen Wasserkreislauf. Ihr Computermodell zeigt einen Mechanismus, der die Austrocknung des Planeten beschleunigt.

Vor Milliarden Jahren war der Mars eine erdähnliche Wasserwelt. Es gab Seen, Flüsse und wohl auch einen großen Ozean (bild der wissenschaft 1/2018, „Curiosity im Mars-Museum“). Heute existieren nur geringe Mengen Wassereis im Boden, wobei das Wasser im tieferen Untergrund nur schwer quantifizierbar ist. Bloß an den Polkappen konnten größere Eismengen überdauern. Würden sie vollständig auftauen, so wäre eine Kugel von der Größe des Mars 20 bis 30 Meter tief überflutet. Klar ist aber auch: Mindestens 80 Prozent des ursprünglich vorhandenen Wassers hat der Mars verloren. Wo ist es geblieben?

Schon länger ist bekannt: In der oberen Atmosphäre spaltet UV-Strahlung der Sonne die Wasser-Moleküle auf, und von dort entweicht der Wasserstoff unwiederbringlich ins All. Messungen von Raumsonden und Weltraumteleskopen zeigen, dass auf diesem Weg noch heute Wasser verloren geht. Eigentlich müsste die mittlere Schicht der Mars-Atmosphäre das aufsteigende Gas aufhalten, ähnlich wie die Tropopause auf der Erde. Schließlich ist diese Region in der Regel so kalt, dass dort Wasserdampf gefriert. Wie kann es also sein, dass der Wasserdampf die oberen Mars-Luftschichten erreicht?

Um eine Antwort zu finden, modellierten die Forscher präzise die Strömungen in der gesamten Gashülle des Roten Planeten – von der Oberfläche bis in 160 Kilometer Höhe. Dabei entdeckten sie einen bislang unbekannten Mechanismus, der an eine Pumpe erinnert. Offensichtlich wird die normalerweise eiskalte mittlere Atmosphäre tagsüber durchlässig für Wasserdampf.

Eine wichtige Rolle spielt dabei die Umlaufbahn des Mars: Sein Weg um die Sonne ist deutlich elliptischer als die Erdbahn. Am sonnennächsten Punkt, der mit dem Sommer der Südhalbkugel zusammenfällt, trennen den Mars 42 Millionen Kilometer weniger von der Sonne als am sonnenfernsten. Der südliche Sommer ist deshalb deutlich wärmer als der nördliche.

„Wenn im Süden Sommer herrscht, kann dort Wasserdampf zu bestimmten Tageszeiten stellenweise mit wärmeren Luftmassen aufsteigen und die obere Atmosphäre erreichen“, erläutert Paul Hartogh vom Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. In den oberen Atmosphärenschichten tragen Luftströme das Gas dann zum Nordpol, wo es abkühlt und zu Boden sinkt. Doch ein Teil des Dampfs entkommt diesem Kreislauf: Durch das ultraviolette Sonnenlicht zerfällt das Wasser (H2O) in OH–Moleküle und Wasserstoff (H), der leicht ins All entweicht.

Staub verstärkt die Austrocknung

Die Staubstürme, die den ganzen Planeten immer wieder heimsuchen, können den Wasserverlust noch verstärken. Zuletzt 2007 und 2018 verbargen sie fast den gesamten Mars hinter einem staubigen Vorhang.

„Die Staubmengen, die bei einem solchen Sturm durch die Atmosphäre wirbeln, erleichtern den Transport von Wasserdampf in hohe Luftschichten“, sagt Max-Planck-Forscher Alexander Medvedev. Während des globalen Staubsturms von 2007 ist beispielsweise doppelt so viel Wasserdampf in die obere Atmosphäre gelangt wie bei einem südlichen Sommer ohne Staubsturm. Denn die vom Sonnenlicht erwärmten Staubpartikel lassen die Temperaturen in der Atmosphäre um bis zu 30 Grad Celsius steigen. „Offenbar ist die Atmosphäre des Mars für Wasserdampf durchlässiger als die der Erde“, resümiert Hartogh.

Frische Wetterdaten erreichen die Forscher tagtäglich von der stationären NASA-Sonde InSight. Sie landete im November 2018 und musste bereits einen Monat später einen größeren Staubsturm überstehen. Ihre Messungen gehören zu den genauesten, die je auf dem Mars gemacht wurden. Am 26. Februar meldete die Wetterstation an Bord beispielsweise einen Temperaturwechsel zwischen minus 13 Grad Celsius tagsüber und minus 93 Grad in der Nacht. An diesem Tag wehte der Wind im Durchschnitt mit 19 Kilometer pro Stunde. Das Tempo der Böen war sogar um das Vierfache höher.

Im selben Monat wurden erste Auswertungen der Messungen publiziert: InSight hatte in den ersten 220 Mars-Tagen nach der Landung rund 1000 plötzliche Einbrüche beim Luftdruck registriert. Die Forscher gehen davon aus, dass Staubteufel das Landegerät überquert haben: Solche kleinen lokalen Wirbelwinde kommen auch auf der Erde immer wieder vor. Sie werden durch hochgerissenen Staub sichtbar, selten auch durch auffliegende Schneeflocken.

InSight hat anscheinend die höchste Staubteufel-Aktivität aller bisher besuchten Landestellen erwischt. Seine Bordkameras konnten zwar – im Gegensatz zu Mars-Satelliten aus dem Orbit – noch keine dieser Mini-Tornados auf ein Foto bannen. Aber ein anderes Messgerät der Sonde bestätigte die Aktivität der turbulenten Atmosphäre: Das Seismometer, das nach Mars-Beben lauscht, hat die Wirbel ebenfalls registriert.