Der Mars war einst ein sehr feuchter Planet, wie seine geologischen Oberflächenmerkmale belegen. Wissenschaftler wissen, dass in den letzten 3 Milliarden Jahren zumindest ein Teil des Wassers tief in die Erde gelangte, aber was geschah mit dem Rest? Nun helfen das Hubble-Weltraumteleskop und die MAVEN-Missionen (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) der NASA, dieses Rätsel zu lösen.
„Es gibt nur zwei Orte, an die Wasser gelangen kann. Es kann im Boden gefrieren, oder das Wassermolekül kann in Atome zerfallen, und die Atome können von der Atmosphäre in den Weltraum entweichen“, erklärte Studienleiter John Clarke vom Center for Space Physics der Boston University in Massachusetts. „Um zu verstehen, wie viel Wasser es gab und was damit passiert ist, müssen wir verstehen, wie die Atome in den Weltraum entweichen.“
Clarke und sein Team kombinierten Daten von Hubble und MAVEN, um die Anzahl und aktuelle Entweichungsrate der in den Weltraum entweichenden Wasserstoffatome zu messen. Diese Informationen ermöglichten es ihnen, die Entweichungsrate in die Vergangenheit zu extrapolieren und so die Geschichte des Wassers auf dem roten Planeten zu verstehen.
Ihre Studie ist veröffentlicht im Journal Wissenschaftliche Fortschritte.
Der Mars war einst ein sehr feuchter Planet. Wissenschaftler wissen, dass in den letzten 3 Milliarden Jahren ein Teil des Wassers in den Untergrund gelangte, aber was geschah mit dem Rest? Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA; Hauptproduzent: Paul Morris; Produzent von Mars Animations: Dan Gallagher
Entweichender Wasserstoff und schwerer Wasserstoff
Wassermoleküle in der Marsatmosphäre werden durch Sonnenlicht in Wasserstoff- und Sauerstoffatome zerlegt. Das Team maß insbesondere Wasserstoff und Deuterium, ein Wasserstoffatom mit einem Neutron im Kern. Dieses Neutron verleiht Deuterium die doppelte Masse von Wasserstoff. Da seine Masse höher ist, entweicht Deuterium viel langsamer in den Weltraum als normaler Wasserstoff.
Da im Laufe der Zeit mehr Wasserstoff als Deuterium verloren ging, stieg das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff in der Atmosphäre. Die Messung dieses Verhältnisses gibt Wissenschaftlern heute Aufschluss darüber, wie viel Wasser während der warmen, feuchten Periode auf dem Mars vorhanden war. Indem sie untersuchen, wie diese Atome derzeit entweichen, können sie die Prozesse verstehen, die die Entweichungsraten in den letzten vier Milliarden Jahren bestimmt haben, und so Rückschlüsse auf die Zeit ziehen.
Obwohl die meisten Daten der Studie von der Raumsonde MAVEN stammen, ist MAVEN nicht empfindlich genug, um die Deuteriumemission zu allen Zeiten des Marsjahres zu beobachten. Anders als die Erde bewegt sich der Mars während des langen Marswinters in seiner elliptischen Umlaufbahn weit von der Sonne weg, und die Deuteriumemission wird schwach. Clarke und sein Team brauchten die Hubble-Daten, um „die Lücken zu füllen“ und einen Jahreszyklus für drei Marsjahre (jedes davon 687 Erdentage) zu vervollständigen. Hubble lieferte außerdem zusätzliche Daten, die bis ins Jahr 1991 zurückreichen – also vor MAVENs Ankunft auf dem Mars im Jahr 2014.
Die Kombination der Daten dieser Missionen ermöglichte den ersten ganzheitlichen Blick auf die vom Mars in den Weltraum entweichenden Wasserstoffatome.
Eine dynamische und turbulente Marsatmosphäre
„In den letzten Jahren haben Wissenschaftler herausgefunden, dass der Jahreszyklus des Mars viel dynamischer ist, als man noch vor 10 oder 15 Jahren erwartet hatte“, erklärte Clarke. „Die gesamte Atmosphäre ist sehr turbulent, heizt sich auf und kühlt sich in kurzen Zeiträumen ab, sogar innerhalb von Stunden. Die Atmosphäre dehnt sich aus und zieht sich zusammen, da die Helligkeit der Sonne auf dem Mars im Laufe eines Marsjahres um 40 Prozent schwankt.“
Das Team entdeckte, dass sich die Entweichungsraten von Wasserstoff und Deuterium schnell ändern, wenn sich der Mars der Sonne nähert. In der klassischen Vorstellung, die Wissenschaftler bisher hatten, gingen sie davon aus, dass diese Atome langsam nach oben durch die Atmosphäre diffundieren, bis sie eine Höhe erreichen, in der sie entweichen können.
Doch dieses Bild spiegelt nicht mehr die ganze Wahrheit wider, denn Wissenschaftler wissen heute, dass sich die atmosphärischen Bedingungen sehr schnell ändern. Wenn der Mars der Sonne nahe ist, steigen die Wassermoleküle, die die Quelle von Wasserstoff und Deuterium sind, sehr schnell durch die Atmosphäre auf und geben in großen Höhen Atome frei.
Die zweite Erkenntnis ist, dass die Veränderungen in Wasserstoff und Deuterium so schnell erfolgen, dass die Atomflucht nur durch zusätzliche Energie erklärt werden kann. Bei der Temperatur der oberen Atmosphäre hat nur ein kleiner Teil der Atome genug Geschwindigkeit, um der Schwerkraft des Mars zu entkommen. Schnellere (superthermische) Atome entstehen, wenn etwas dem Atom einen zusätzlichen Energieschub gibt. Zu diesen Ereignissen gehören Kollisionen von Sonnenwindprotonen, die in die Atmosphäre eintreten, oder Sonnenlicht, das chemische Reaktionen in der oberen Atmosphäre antreibt.
Als Proxy fungieren
Die Erforschung der Geschichte des Wassers auf dem Mars ist nicht nur für das Verständnis der Planeten unseres eigenen Sonnensystems von grundlegender Bedeutung, sondern auch für die Entwicklung erdgroßer Planeten um andere Sterne. Astronomen entdecken immer mehr dieser Planeten, aber sie sind schwer im Detail zu untersuchen.
Mars, Erde und Venus liegen alle in oder nahe der bewohnbaren Zone unseres Sonnensystems, der Region um einen Stern, in der sich flüssiges Wasser auf einem Gesteinsplaneten sammeln könnte. Dennoch herrschen auf allen drei Planeten dramatisch unterschiedliche Bedingungen. Zusammen mit seinen Schwesterplaneten kann der Mars Wissenschaftlern helfen, die Natur weit verstreuter Welten in unserer Galaxie zu verstehen.
Weitere Informationen:
John T. Clarke et al, Wasserstoff und Deuterium in der Marsatmosphäre: Saisonale Veränderungen und Paradigma für die Flucht in den Weltraum, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adm7499