Stürme, Schnee und Staubgewitter sind typisch für unseren Nachbarplaneten. Jetzt haben Forscher entdeckt, dass die Schneeschauer seltsamen Rhythmen folgen. Und sie konnten die Geschichte des Mars-Klimas entschlüsseln.
Wer zum Mars will, sollte Glück mit dem Wetter haben – das haben sowjetische Forscher mit ihrer Raumsonde Mars-3 erlebt. Nach einem halben Jahr Flugzeit war ihr Landegerät am Ziel und schoss fünfmal schneller als die Kugel einer Kalaschnikow durch die dünne Mars-Luft. Fallschirm und Bremsraketen arbeiteten plangemäß, die erste weiche Landung auf dem Nachbarplaneten war geglückt – und zwar fünf Jahre vor dem ersten Versuch der NASA. 1971 war dies eine technische Glanzleistung. Gleichwohl blieb die Mission ein wissenschaftlicher Flop. Denn nach kaum 15 Sekunden brach die Funkverbindung zum Lander für immer ab.
Zunächst herrschte Ratlosigkeit, dann ergab sich eine Spur: „ In der libanesischen Wüste hatten britische Funker im Zweiten Weltkrieg Ausfälle ihrer Geräte während eines Staubsturms erlebt” , erinnert sich Wladimir Perminow, Chefkonstrukteur der ersten sowjetischen Mars- und Venus-Sonden. War auf dem Mars etwas Ähnliches geschehen? Klar ist, dass zum Landezeitpunkt ein heftiger Staubsturm über dem gesamten Planeten tobte.
Bis heute kommt kein Forscher an der marsianischen Wetterküche vorbei. Dank der jüngsten Daten, die fünf aktive Mars-Sonden erdwärts gefunkt haben, konnten die Forscher viel über das Mars-Wetter lernen. Dabei fanden sie überraschende Regelmäßigkeiten: So folgen Schneeschauer, die im eisigen Mars-Winter niedergehen, einem berechenbaren Rhythmus.
Dieses Resultat stellten japanische Forscher um Takeshi Kuroda und ihre deutschen Kollegen vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen kürzlich im Fachblatt Geophysical Research Letters vor. Die Wissenschaftler hatten ein Computermodell des irdischen Klimas verwendet, das sie an die Bedingungen auf dem Mars anpassten. Dabei berücksichtigten sie insbesondere die großen Mengen Staub und den unterschiedlichen chemische Aufbau der Gashülle (siehe Kasten S. 48 „Schnee statt Regen”). Die Rechnungen zeigen, dass die Schneefälle mit einem Wetterphänomen zusammenhängen, das sich wellenförmig ausbreitet – Experten sprechen von „planetaren Wellen”.
Mars-Luft fällt vom Himmel
Betroffen ist die nördliche Polregion, wo sich ähnlich wie auf der Erde eine Eiskappe befindet. Im nördlichen Winter schneit dort hauptsächlich gefrorenes Kohlendioxid. Wenn dieses Trockeneis fällt, dehnt sich die Kappe nach Süden aus. Im Sommer sublimiert der Trockeneis-Schnee wieder und legt das ewige Eis des Mars frei – die kleine Polkappe aus Wassereis. Aber wie kommt es zu den Kohlendioxid-Schneefällen im Winter? Wenn die Temperatur der Mars-Luft minus 128 Grad Celsius unterschreitet, gefrieren Teile des Kohlendioxids, das die häufigste Komponente der Gashülle ist, und die winzigen Trockeneis-Kristalle ballen sich zu Wolken zusammen. Durch die planetaren Wellen wird die Wolkenbildung immer wieder angeregt.
„Diese Wellen auf dem Mars sind einzigartig”, sagt Alexander Medvedev vom MPS. Zwar kommen planetare Wellen auch in der Erdatmosphäre vor, doch schwanken bei uns Luftdruck, Temperatur und Windverhältnisse deutlich schwächer und weniger regelmäßig. „ Auf der Nordhalbkugel des Mars treten diese Wellen von Herbst bis Frühling bemerkenswert verlässlich auf”, so der Physiker. Ihre Periode beträgt fünf bis sechs Tage.
Die Schwankungen der planetaren Wellen drücken die Temperaturen regelmäßig unter die 128-Grad-Schwelle. Die Forscher entdeckten, dass sich überall, wo die Temperaturen so tief sinken, Trockeneis-Wolken bilden. „Zu solchen Wolken kommt es nördlich des 70. Breitengrads in allen Luftschichten bis in 40 Kilometer Höhe”, sagt Max-Planck-Forscher Paul Hartogh.
Trockeneis-Kristalle, die aus weniger als 20 Kilometer Höhe stammen, legen sich als Schnee auf die Oberfläche. Die Gegend zwischen 30 Grad West und 60 Grad Ost – beispielsweise der 153 Kilometer große Lomonossow-Krater – ist ein sicheres Schneegebiet. Aufnahmen des Hubble-Teleskops und der Mars-Satelliten zeigen, dass sich dort die Schicht aus Trockeneis-Schnee sehr weit nach Süden erstreckt. Rechnungen belegen, dass in solchen Regionen der Nordhalbkugel die Schneefälle gut vorhersagbar sind. „Für Mars-Rover, die diese Gebiete erforschen sollen, ist das eine wertvolle Information”, sagt Hartogh.
Der Verlust der Uratmosphäre
Ortswechsel: Seit dem Sommer 2012 rollt der automatische Curiosity-Rover der NASA über den Mars, allerdings weit entfernt von den Polen im äquatornahen Gale-Krater. Das sechsrädrige Gefährt von den Ausmaßen eines Kleinwagens erforscht unter anderem mit bislang unerreichter Genauigkeit die chemische Zusammensetzung der Mars-Luft. Neue Resultate im Fachmagazin Science erhärteten ältere Überlegungen, wonach der Mars sehr früh den Großteil seiner Uratmosphäre verloren hat. Dazu kam es nicht einmal eine Milliarde Jahre nach seiner Entstehung. Wahrscheinlich war die junge Sonne schuld, die damals während aktiver Phasen die Planeten immer wieder mit ultravioletter Strahlung bombardierte.
Die marsianische Gashülle verlor dabei fast ihren gesamten, zunächst reichlich vorhandenen Wasserstoff. Er entwich ins All. Große Mengen der schweren Bestandteile der Mars-Luft wurden dabei mitgezogen – ein Prozess, den die Wissenschaftler „hydrodynamic escape” nennen. Auf der Erde waren wegen der stärkeren Schwerkraft die Bedingungen für den Verbleib einer dichteren Atmosphäre günstiger.
Curiosity bestätigte dies nun mit Messungen der Häufigkeiten mehrerer Isotope von Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff in der heutigen Mars-Atmosphäre. Es stellte sich heraus, dass diese Isotopenverhältnisse denen des rund vier Milliarden Jahre alten Mars-Meteoriten ALH 84001 ähneln. Dies lässt darauf schließen, dass die Atmosphäre verloren ging, bevor der Stein bei einem Einschlag vom Mars ins All gesprengt wurde.
Auch der Planetengeologe Ralf Jaumann vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der an der neuen Arbeit nicht beteiligt war, spricht von mehreren Klimakatastrophen, die in der frühen Gashülle stattfanden. In stark gebremstem Tempo dauert der Verlust der Mars-Luft vermutlich bis in die jüngere geologische Vergangenheit an, meint der Mars-Experte.
Blitze aus Staubstürmen
Zurück zur gescheiterten Sonde Mars-3: Vielleicht wurde sie tatsächlich, wie Perminow vermutet, von einer elektrischen Entladung lahmgelegt. Doch ob es wirklich so etwas wie Blitze oder Elmsfeuer auf dem Mars gibt, ist nicht sicher. Zwar berichteten 2009 US-Forscher um Christopher Ruf von der University of Michigan über verdächtige Mikrowellenstrahlung, die sie mutmaßlich aus einem Staubsturm aufgefangen hatten.
Sie hatten einen neuartigen Radioempfänger verwendet, eingebaut in eine Antenne des Deep Space Network. Über dieses weltweite Antennen-Netz hält die NASA Kontakt zu ihren Raumsonden. Möglicherweise sind die Mikrowellen Indizien für elektrische Entladungen in Staubstürmen – ähnlich wie in den Staub- und Aschewolken irdischer Vulkanausbrüche manchmal Blitzentladungen stattfinden. Die Signatur der aufgefangenen Radiowellen spricht jedenfalls dafür, meinen Ruf und seine Kollegen.
Auf ein bislang unbekanntes Wetter-phänomen weisen neue Simulationsrechnungen von Aymeric Spiga von der Université Pierre et Marie Curie in Paris hin: „Raketen-Staubstürme”. Das sind heftige regionale Stürme, die sehr schnell – mit bis zu zehn Metern pro Sekunde – beachtliche Staubmengen in die Hochatmosphäre reißen können. Spiga zufolge haben die Stürme das Potential zu starken elektrischen Feldern, Blitze inklusive. Ob Entladungen die Mars-Luft durchzucken, wird die Forschung bald klären. Ob hingegen wirklich Blitze das Schicksal von Mars-3 besiegelt haben, bleibt wohl noch lange ein Geheimnis. •
THORSTEN DAMBECK ist Physiker und regelmäßiger bdw-Autor. In der Titelgeschichte des Juni-Hefts berichtete er über die Nachbarschaft des Sonnensystems.
von Thorsten Dambeck
Schnee statt Regen
Die menschliche Lunge kommt mit der Mars-Luft nicht zurecht. Zum einen ist der Druck zu gering – am Boden herrschen nur etwa 6 Millibar, also lediglich 0,6 Prozent des irdischen Luftdrucks. Zum anderen hat der Rote Planet kaum Sauerstoff – nur 0,145 Prozent seiner Atmosphäre bestehen daraus. Ihre Hauptkomponente ist Kohlendioxid (96 Prozent). Hinzu kommen das Edelgas Argon (1,93 Prozent) und Stickstoff (1,89 Prozent). Die Temperaturen am Boden schwanken zwischen minus 133 und plus 27 Grad Celsius.
Trotz der fremden Chemie gibt es auf dem Mars vertraute Wetterphänomene. So wurden Staubstürme, Nebel und Schneefälle beobachtet. Sie stammen aus Wassereis-Wolken oder vom Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Indirekte Hinweise gibt es auf elektrische Entla-dungen in den Staubstürmen.
Ob es einst regnete, wird inzwischen immer mehr bezweifelt. Laut DLR-Forscher Ernst Hauber zeigt die Mars-Oberfläche zwar, dass vor Milliarden Jahren Wasser floss, aber der Niederschlag fiel wohl eher als Schnee, der später schmolz.
Damit könnte auch ein großes Problem etwas entschärft werden: Atmosphärenphysiker verstehen nicht, wohin all das Kohlendioxid verschwunden sein soll, das für einen wärmenden Treibhauseffekt nötig wäre, falls es viel Regen gab. Doch wenn es gar nicht in Strömen regnete, entfällt die Annahme eines milderen Klimas – und damit auch die eines einstigen hohen Kohlendioxid-Gehalts.
Kompakt
· Anders als auf der Erde lassen sich in manchen Mars-Regionen Schneefälle lange vorhersagen: 20 bis 40 Tage im Voraus.
· Blitze zucken durch die roten Staubwolken unseres Nachbarplaneten.
· Die Uratmosphäre des Mars ging vor etwa vier Milliarden Jahren größtenteils verloren. Sie war dichter, als es die dünne Mars-Luft von heute ist.
Mehr zum Thema
Internet
Vortrag der SETI-Forscherin Lori Fenton: www.youtube.com/watch?v=31ddEQyuSMs
Interview mit Ralf Jaumann zur Klimageschichte des Mars: www.youtube.com/watch?v= pJzPxPfQTx4&list=PLEDWnfmz-B8FJ7i9V9czn_KUjg9fC-Axm
Video von der Landestelle des Curiosity Rovers: vimeo.com/54130221
Erleben
Interaktive Wanderausstellung zum Mars: www.esa.int/ger/ESA_in_your_country/ Germany/Erste_interaktive_Mars_ Ausstellung_auf_Deutschland-Tour
