Tests auf der Erde scheinen zu bestätigen, wie die spinnenförmigen geologischen Formationen des Roten Planeten durch Kohlendioxid entstanden sind.
Seit sie 2003 auf Bildern von Orbitern entdeckt wurden, staunen Wissenschaftler über die spinnenartigen Formen, die sich über die südliche Hemisphäre des Mars erstrecken. Niemand ist sich ganz sicher, wie diese geologischen Strukturen entstehen. Jede verzweigte Formation kann sich von einem Ende zum anderen über einen Kilometer erstrecken und Hunderte von spindeldürren „Beinen“ umfassen. Diese als araneiformes Gelände bezeichneten Strukturen treten häufig in Gruppen auf und verleihen der Oberfläche ein faltiges Aussehen.
Die führende Theorie ist, dass die Spinnen durch Prozesse entstehen, bei denen Kohlendioxid-Eis im Spiel ist, das auf der Erde nicht natürlich vorkommt. Dank Experimenten, die in einem neuen Artikel beschrieben werden, veröffentlicht In Das Planetary Science Journalist es Wissenschaftlern erstmals gelungen, diese Entstehungsprozesse bei simulierten Temperaturen und Luftdrücken auf dem Mars nachzubilden.
„Die Spinnen sind an sich schon seltsame, wunderschöne geologische Strukturen“, sagte Lauren Mc Keown vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Diese Experimente werden uns helfen, unsere Modelle für ihre Entstehung zu verfeinern.“
Dieses Video zeigt, wie simulierter Marsboden während eines JPL-Laborexperiments in einer Fontäne austritt. Ziel war es, den Prozess nachzubilden, der vermutlich zur Bildung von Mars-Strukturen namens „Spinnen“ führt. Als eine Forscherin, die jahrelang versucht hatte, diese Bedingungen nachzubilden, diese Fontäne entdeckte, war sie außer sich vor Freude. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Die Studie bestätigt mehrere Entstehungsprozesse, die das so genannte Kieffer-Modell beschreibt: Sonnenlicht erwärmt den Boden, wenn es durch transparente Platten aus Kohlendioxid-Eis scheint, die sich jeden Winter auf der Marsoberfläche bilden.
Da der Boden dunkler ist als das Eis darüber, absorbiert er die Hitze und bewirkt, dass sich das Eis in seiner Nähe direkt in Kohlendioxidgas verwandelt – ohne sich vorher zu verflüssigen – in einem Prozess namens Sublimation (derselbe Prozess, der „Rauchwolken“ aus Trockeneis aufsteigen lässt). Wenn sich der Druck des Gases erhöht, bricht das Marseis und das Gas kann entweichen. Beim Aufsteigen nimmt das Gas einen Strom aus dunklem Staub und Sand aus dem Boden mit, der auf der Oberfläche des Eises landet.
Wenn der Winter zum Frühling wird und das verbleibende Eis sublimiert, bleiben der Theorie zufolge die spinnenartigen Narben dieser kleinen Eruptionen zurück.
Der Mars im Labor nachbilden
Für Mc Keown und ihre Co-Autoren war der schwierigste Teil der Durchführung dieser Experimente, die Bedingungen nachzubilden, die auf der polaren Oberfläche des Mars herrschen: extrem niedriger Luftdruck und Temperaturen von bis zu minus 301 Grad Fahrenheit (minus 185 Grad Celsius). Zu diesem Zweck verwendete Mc Keown eine mit flüssigem Stickstoff gekühlte Testkammer am JPL, das Dirty Under-vacuum Simulation Testbed for Icy Environments (DUSTIE).
„Ich liebe DUSTIE. Es ist historisch“, sagte Mc Keown und wies darauf hin, dass die Kammer in der Größe eines Weinfasses zum Testen eines Prototyps eines Raspelwerkzeugs verwendet wurde, das für die Mars-Landefähre Phoenix der NASA entwickelt wurde. Das Werkzeug wurde zum Aufbrechen von Wassereis verwendet, das die Raumsonde in der Nähe des Nordpols des Planeten aufnahm und analysierte.
Für dieses Experiment kühlten die Forscher simulierten Marsboden in einem Behälter, der in ein Bad aus flüssigem Stickstoff getaucht war. Sie platzierten ihn in der DUSTIE-Kammer, wo der Luftdruck auf einen ähnlichen Wert wie in der südlichen Hemisphäre des Mars reduziert wurde. Anschließend strömte Kohlendioxidgas in die Kammer und kondensierte im Verlauf von drei bis fünf Stunden von Gas zu Eis. Es dauerte viele Versuche, bis Mc Keown genau die richtigen Bedingungen fand, damit das Eis dick und durchscheinend genug wurde, damit die Experimente funktionierten.
Sobald sie Eis mit den richtigen Eigenschaften hatten, platzierten sie in der Kammer unter dem Simulant eine Heizung, um es zu erwärmen und das Eis zum Brechen zu bringen. Mc Keown war außer sich vor Freude, als sie endlich eine Wolke aus Kohlendioxidgas aus dem pulverförmigen Simulant aufsteigen sah.
„Es war spät am Freitagabend und die Laborleiterin platzte herein, nachdem sie mich schreien gehört hatte“, sagte Mc Keown, die seit fünf Jahren daran arbeitete, eine solche Rauchwolke zu erzeugen. „Sie dachte, es hätte einen Unfall gegeben.“
Beim Ausströmen der dunklen Rauchwolken entstanden Löcher im Simulanzgas, aus dem bis zu zehn Minuten lang Simulanzgas austrat, bevor das gesamte unter Druck stehende Gas ausgestoßen war.
Die Experimente brachten eine Überraschung mit sich, die sich im Kieffer-Modell nicht widerspiegelte: Zwischen den Körnern des Simulanten bildete sich Eis, das es dann aufbrach. Dieser alternative Prozess könnte erklären, warum Spinnen ein „rissigeres“ Aussehen haben. Ob dies geschieht oder nicht, scheint von der Größe der Bodenkörner und der Tiefe des Wassereises im Untergrund abzuhängen.
„Es ist eines jener Details, die zeigen, dass in der Natur etwas mehr Chaos herrscht als im Lehrbuch dargestellt“, sagte Serina Diniega vom Jet Propulsion Laboratory (JPL), eine Koautorin der Studie.
Wie geht es weiter mit der Prüfung von Abgasfahnen?
Nachdem nun die Bedingungen für die Entstehung von Federn gefunden wurden, besteht der nächste Schritt darin, dieselben Experimente mit simuliertem Sonnenlicht von oben durchzuführen, anstatt eine Heizung von unten zu verwenden. Dies könnte Wissenschaftlern helfen, den Bereich der Bedingungen einzugrenzen, unter denen Federn und Bodenauswurf auftreten können.
Es gibt noch viele Fragen zu den Spinnen, die im Labor nicht beantwortet werden können. Warum haben sie sich an manchen Orten auf dem Mars gebildet, an anderen aber nicht? Da sie anscheinend das Ergebnis von jahreszeitlichen Veränderungen sind, die immer noch stattfinden, warum scheinen sie dann nicht mit der Zeit an Zahl oder Größe zuzunehmen? Es ist möglich, dass sie aus längst vergangenen Zeiten stammen, als das Klima auf dem Mars anders war – und daher ein einzigartiges Fenster in die Vergangenheit des Planeten bieten könnten.
Vorerst werden die Wissenschaftler den Spinnen nur durch Laborexperimente näher kommen. Sowohl die Curiosity- als auch die Perseverance-Rover erforschen den roten Planeten weit entfernt von der südlichen Hemisphäre, wo diese Formationen auftauchen (und wo noch nie ein Raumschiff gelandet ist). Die Phoenix-Mission, die auf der nördlichen Hemisphäre landete, dauerte nur wenige Monate, bevor sie der intensiven Polarkälte und dem begrenzten Sonnenlicht zum Opfer fiel.
Weitere Informationen:
Lauren E. Mc Keown et al, Eine Laboruntersuchung des Mars-Kieffer-Modells, Das Planetary Science Journal (2024). DOI: 10.3847/PSJ/ad67c8