Marsstaubstürme wirbeln erdähnliche Wolken auf

Mars Express der ESA hat gezeigt, dass der Mars überraschend erdähnliche Wolkenmuster aufwirbelt, die an die in den tropischen Regionen unseres Planeten erinnern.

Erde und Mars haben sehr unterschiedliche Atmosphären. Die trockene, kalte Atmosphäre des Mars besteht fast ausschließlich aus Kohlendioxid, während die Erde reich an Stickstoff und Sauerstoff ist. Seine atmosphärische Dichte beträgt weniger als ein Fünfzigstel der Erdatmosphäre – das entspricht der Dichte, die etwa 35 km über der Erdoberfläche gefunden wird.

Obwohl sie sehr unterschiedlich sind, wurde festgestellt, dass ihre Wolkenmuster überraschend erdähnlich sind, was auf ähnliche Entstehungsprozesse hinweist.

Eine neue Studie taucht tiefer in zwei Staubstürme ein, die 2019 in der Nähe des Mars-Nordpols auftraten. Die Stürme wurden im Frühjahr am Nordpol überwacht, einer Zeit, in der sich um die zurückweichende Eiskappe herum häufig lokale Stürme zusammenbrauen.

Zwei Kameras an Bord von Mars Express – die Visual Monitoring Camera (VMC) und die High Resolution Stereo Camera (HRSC) – bildeten zusammen mit der MARCI-Kamera an Bord des Mars Reconnaissance Orbiter der NASA die Stürme aus dem Orbit ab.

Die Sequenz von VMC-Bildern zeigt, dass die Stürme in wiederholten Zyklen über einen Zeitraum von Tagen zu wachsen und zu verschwinden scheinen und gemeinsame Merkmale und Formen aufweisen. Spiralformen sind in den breiteren Ansichten der HRSC-Bilder besonders sichtbar. Die Spiralen sind zwischen 1.000 und 2.000 km lang und haben denselben Ursprung wie die außertropischen Wirbelstürme, die in den mittleren und polaren Breiten der Erde beobachtet werden.

Die Bilder zeigen ein besonderes Phänomen auf dem Mars. Sie zeigen, dass die Staubstürme auf dem Mars aus regelmäßig verteilten kleineren Wolkenzellen bestehen, die wie Körner oder Kieselsteine ​​angeordnet sind. Die Textur ist auch in Wolken in der Erdatmosphäre zu sehen.

Die bekannten Texturen entstehen durch Konvektion, wobei heiße Luft aufsteigt, weil sie weniger dicht ist als die kühlere Luft um sie herum. Die hier beobachtete Art der Konvektion wird geschlossenzellige Konvektion genannt, wenn Luft in der Mitte kleiner Wolkentaschen oder Zellen aufsteigt. Die Lücken des Himmels um die Wolkenzellen herum sind die Wege für kühlere Luft, um unter die heiße aufsteigende Luft zu sinken.

Auf der Erde enthält die aufsteigende Luft Wasser, das zu Wolken kondensiert. Die von Mars Express abgebildeten Staubwolken zeigen den gleichen Prozess, aber auf dem Mars enthalten die aufsteigenden Luftsäulen eher Staub als Wasser. Die Sonne erwärmt staubbeladene Luft, wodurch sie aufsteigt und Staubzellen bildet. Die Zellen sind von Bereichen mit sinkender Luft umgeben, die weniger Staub enthalten. Dadurch entsteht das körnige Muster, das auch auf dem Bild von Wolken auf der Erde zu sehen ist.

Indem die Bewegung der Zellen in der Bildfolge verfolgt wird, kann die Windgeschwindigkeit gemessen werden. Wind bläst mit Geschwindigkeiten von bis zu 140 km/h über die Wolkenstrukturen, wodurch sich die Form der Zellen in Windrichtung verlängert. Trotz der chaotischen und dynamischen Atmosphären von Mars und Erde erschafft die Natur diese geordneten Muster.

„Wenn man an eine marsähnliche Atmosphäre auf der Erde denkt, könnte man leicht an eine trockene Wüste oder Polarregion denken. Es ist daher ziemlich unerwartet, dass durch die Verfolgung der chaotischen Bewegung von Staubstürmen Parallelen zu den ablaufenden Prozessen gezogen werden können in den feuchten, heißen und eindeutig dem Mars sehr unähnlichen tropischen Regionen der Erde“, kommentiert Colin Wilson, Mars-Express-Projektwissenschaftler der ESA.

Eine wichtige Erkenntnis, die mit den VMC-Bildern ermöglicht wird, ist die Messung der Höhe von Staubwolken. Die Länge der von ihnen geworfenen Schatten wird gemessen und mit der Kenntnis des Sonnenstands kombiniert, um die Höhe der Wolken über der Marsoberfläche zu messen. Die Ergebnisse zeigten, dass Staub etwa 6–11 km über dem Boden reichen kann und die Zellen typische horizontale Größen von 20–40 km haben.

„Trotz des unvorhersehbaren Verhaltens von Staubstürmen auf dem Mars und der sie begleitenden starken Windböen haben wir gesehen, dass innerhalb ihrer Komplexität organisierte Strukturen wie Fronten und zelluläre Konvektionsmuster entstehen können“, erklärt Agustín Sánchez-Levaga von der Universidad del País Vasco UPV/EHU (Spanien), der das VMC-Wissenschaftsteam leitet und Hauptautor eines Papiers ist, das die neue Analyse vorstellt.

Eine solche organisierte zelluläre Konvektion ist nicht nur auf Erde und Mars vorhanden; Beobachtungen der Venusatmosphäre durch Venus Express zeigen wohl ähnliche Muster. „Unsere Arbeit zur Mars-Trockenkonvektion ist ein weiteres Beispiel für den Wert vergleichender Studien ähnlicher Phänomene, die in Planetenatmosphären auftreten, um die Mechanismen, die ihnen unter verschiedenen Bedingungen und Umgebungen zugrunde liegen, besser zu verstehen“, fügt Agustín hinzu.

Neben dem Erlernen von mehr darüber, wie Planetenatmosphären „funktionieren“, ist das Verständnis von Staubstürmen für zukünftige Missionen zum Mars relevant. In extremen Fällen können Staubstürme einen Großteil des Sonnenlichts daran hindern, die Solarzellen der Rover auf der Oberfläche des roten Planeten zu erreichen. Im Jahr 2018 blockierte ein planetarischer Staubsturm nicht nur das Sonnenlicht, das die Oberfläche erreichte, sondern bedeckte auch die Solarpanels des Opportunity-Rover der NASA mit Staub. Beide Faktoren führten dazu, dass der Rover die Stromversorgung verlor und die Mission beendet wurde.

Die Überwachung der Entwicklung von Staubstürmen ist entscheidend, um zukünftige solarbetriebene Missionen – und schließlich bemannte Missionen zum Planeten – vor solch mächtigen Phänomenen zu schützen.

„Zellförmige Muster und trockene Konvektion in strukturierten Staubstürmen am Rand der Nordpolkappe des Mars“ von A. Sánchez-Lavega et al., wird in der Ausgabe der Zeitschrift vom 15. November 2022 veröffentlicht Ikarus.