Obwohl die Atmosphäre des Mars sehr dünn ist und fast nur aus Kohlendioxid besteht, gibt es auch in ihr Wetterphänomene: Staubstürme können den gesamten Planeten verhüllen, Winde und Windhosen wirbeln Staub auf und sogar dünne Eiswolken können sich in großer Höhe bilden. Eine dieser Wolken ist jedoch außergewöhnlich – und riesig groß: Die Arsia-Mons-Langwolke (AMEC) ist eine rund 1800 Kilometer lange weißliche Fahne aus Wassereis in rund 45 Kilometer Höhe, die sich immer wieder neu am Westhang des Vulkans Arsia Mons bildet.
„Jeden Tag entsteht diese Wolke bei Sonnenaufgang, dehnt sich in den nächsten drei Stunden rapide horizontal aus und löst sich dann vom Vulkan“, berichten Jorge Hernández-Bernal von der Sorbonne-Universität in Paris und seine Kollegen. Kurze Zeit später löst sich die Wolke auf – nur um am nächsten Morgen wieder neu heranzuwachsen. Aufnahmen von Marssonden zeigen, dass der wiederkehrende Zyklus der Arsia-Mons-Langwolke im Frühjahr und Sommer der marsianischen Südhalbkugel auftritt und mehrere Monate lang andauert.
Diese Aufnahme der Raumsonde Mars Express zeigt die Arsia-Mons-Langwolke im Juni 2024. — © ESA/DLR/FU Berlin/CC-by-sa 4.0
Wie entsteht die exotische Marswolke?
Aber wie entsteht diese exotische Marswolke? Auf der Erde bilden sich Wolken normalerweise, wenn feuchte Luft abkühlt und Wasserdampf zu flüssigen Tröpfchen oder Eiskristallen kondensiert. Als Auslöser dafür sind jedoch Kondensationskeime nötig – Partikel wie Salz, Pollen, Ruß oder Staub. An diese lagern sich die Wassermoleküle an und erst dies ermöglicht die Tropfen- oder Eisbildung. Dieser Prozess wird als heterogene Nukleation bezeichnet. Typischerweise kommt er vor allem dort vor, wo feuchte Luft schnell aufsteigt und dadurch abkühlt – beispielsweise an Berghängen.
Auch die wiederkehrende Marswolke hat ihren Ursprung an einem Berg – dem 20 Kilometer hohen Vulkan Arsia Mons. Und Staub als Wolkenkeime gibt es dort eigentlich auch genug. Doch als Forschende versuchten, die Entstehung dieser Wolke im Modell zu rekonstruieren, scheiterten sie. „Keiner der vorgeschlagenen Mechanismen konnte die langgestreckten Schweife dieser Wolke überzeugend reproduzieren“, erklären Hernández-Bernal und seine Kollegen.
Das Problem der Kondensation
Deshalb hat das Team einen anderen Mechanismus der Wolkenbildung in Betracht gezogen – die homogene Nukleation. Bei diesem Prozess kondensiert Wasserdampf spontan aus, ohne dass Aerosole oder eine andere feste Oberfläche in der Luft vorhanden sein müssen. „Wasserdampf verwandelt sich dabei direkt in Eiskristalle, ohne einen Zwischenschritt. Das ist so, als würden Kondensationströpfchen mitten in einem Raum entstehen und nicht an einem Fenster“, erklärt Hernández-Bernal.
Der Haken daran: „Eine solche homogene Nukleation gilt unter realen Atmosphärenbedingungen als unmöglich“, erklären die Forschenden. Denn diese spontane Kondensation erforderte eine extreme Übersättigung der Luft mit Wasserdampf, wie sie auf der Erde niemals vorkommt. „Dieser Prozess steht daher in den Lehrbüchern, wurde aber bisher noch nie in einer planetaren Atmosphäre beobachtet. Er galt auf der Erde als unmöglich“, so das Team. Und auch auf dem Mars hielt man dies für extrem unwahrscheinlich.
„Unmögliche“ Nukleation im Test
„Frühe Analysen zeigten, dass dort für die homogene Nukleation eine 100.000-fache höhere relative Luftfeuchtigkeit nötig wäre als die auf der Erde typischen Werte“, erklären Hernández-Bernal und sein Team. Aber der Mars und seine dünne Gashülle sind eigentlich weit trockener als die Erdatmosphäre. Dennoch beschlossen die Planetenforscher, diesen exotischen Mechanismus im Modell zu überprüfen.
Dafür speisten sie Daten zu Temperaturen und Zusammensetzung der Atmosphäre rund um den Marsvulkan Arsia Mons in ein Klimamodell des Mars ein und berücksichtigten auch die Topografie und ihren Einfluss auf die Luftmassenbewegungen. „Um die Langwolke in unserem Modell entstehen zu lassen, mussten wir einige exotische physikalische Prozesse einbeziehen“, erklärt Hernández-Bernal.
Vergleich der realen Marswolkenbildung (oben) mit der Simulation. — © ESA/EHU (oben); Hernandez-Bernal et al., Nature Geoscience 2026 (unten)
Rätsel der Langwolke gelöst
Das überraschende Ergebnis: Gingen die Forschenden von einer homogenen Nukleation aus, konnten sie in ihrem Modell nachvollziehen, wie sich die wiederkehrende Arsia-Mons-Langwolke bildet. „Sobald wir diese Physik in unsere Simulationen einbezogen, entstand die AMEC genauso, wie wir es erwartet hatten“, berichtet Hernández-Bernal. Es zeigte sich, dass die Bedingungen am Vulkan Arsia Mons einzigartige Bedingungen schaffen, darunter auch eine extreme Übersättigung der lokalen Atmosphäre mit Wasserdampf.
Konkret enthüllten die Simulationen: Wenn Marswinde auf den Arsia-Mons-Vulkan treffen, verursacht seine enorme Größe eine Reihe quasistationärer Schwerewellen, die die Luft schnell in die Höhe reißen und stark abkühlen. Die Temperaturen sinken innerhalb von zehn Minuten um 30 Grad, während gleichzeitig die relative Luftfeuchtigkeit stark ansteigt. „Dadurch entsteht westlich des Arsia Mons eine kompakte, kalte Zone mit einem Wasserdampf-Sättigungsverhältnis in der Größenordnung von 100.000“, berichtet das Team.
Exotische Physik für eine exotische Wolke
Das bedeutet: Genau dort, wo die ungewöhnliche Marswolke entsteht, erfüllt die Atmosphäre des Roten Planeten die exotischen Bedingungen für eine homogene Nukleation. „Das ist völlig unerwartet“, sagt Hernández-Bernal. „Bisher wurden solche Bedingungen auf dem Mars noch nicht beobachtet, aber unsere Ergebnisse sprechen dafür, dass die Luftfeuchtigkeit auf dem Mars tatsächlich diese extremen Werte erreichen kann.“ Der Mars könnte damit der erste Planet sein, in dessen Atmosphäre der exotische Prozess der homogenen Nukleation nachgewiesen wird.
Nach Ansicht der Forschenden unterstreicht dies, wie wichtig es ist, bei der Erforschung anderer Planeten auch vermeintlich unmögliche oder unwahrscheinliche Prozesse in Betracht zu ziehen. „Obwohl die Wolken auf der Erde und auf dem Mars offenbar denselben grundlegenden Regeln folgen, erforderte das Verständnis dieser exotischen Marswolke exotische Physik – und das könnte auch anderswo im Kosmos der Fall sein“, kommentiert Colin Wilson von der Europäischen Weltraumorganisation ESA.
Quelle: Jorge Hernández-Bernal (Sorbonne Université, Paris) et al., Nature Geoscience, 2026; doi: 10.1038/s41561-026-02089-9
