Studie quantifiziert globale Auswirkungen von Elektrizität in Staubstürmen auf dem Mars

Der Mars ist berüchtigt für seine intensiven Staubstürme, von denen einige genug Staub aufwirbeln, um von Teleskopen auf der Erde gesehen zu werden.

Wenn Staubpartikel aneinander reiben, wie es bei Staubstürmen auf dem Mars der Fall ist, können sie elektrisiert werden und positive und negative elektrische Ladung übertragen, so wie Sie statische Elektrizität aufbauen, wenn Sie über einen Teppich schlurfen.

In Staubstürmen auf der Erde bauen sich starke elektrische Felder auf, daher ist es vielleicht nicht verwunderlich, dass dies auch auf dem Mars geschieht. Aber was passiert als nächstes? Wahrscheinlich kein plötzlicher Blitzschlag, wie wir es auf der Erde erwarten würden.

Stattdessen glaubt der Planetenforscher Alian Wang von der Washington University in St. Louis, dass eine elektrische Entladung auf dem Mars wahrscheinlich eher wie ein schwaches Leuchten aussieht. (Keiner der Marslander, Rover oder anderen Missionen hat ein echtes Bild davon aufgenommen.)

„Es könnte so etwas wie die Aurora in Polarregionen auf der Erde sein, wo energetische Elektronen mit verdünnten atmosphärischen Spezies kollidieren“, sagte Wang, Forschungsprofessor für Erd- und Planetenwissenschaften in Arts & Sciences.

Auffällig oder nicht, diese marsianische „Faux-Rora“ hat immer noch einen kräftigen Schlag.

Wangs neue Studie in der Zeitschrift Geophysikalische Forschungsbriefe zeigt, dass Elektrizität in Staubstürmen die Hauptantriebskraft des Chlorkreislaufs auf dem Mars sein könnte.

Als Hintergrund betrachten Wissenschaftler Chlor als eines von fünf Elementen, die auf dem Mars „mobil“ sind (die anderen sind Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Schwefel). Das bedeutet, dass sich Chlor in unterschiedlichen Formen zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre auf dem Mars hin und her bewegt. Am Boden sind Chloridvorkommen weit verbreitet, die salzigen Playas oder seichten Salzseen auf der Erde ähneln. Diese Chloridablagerungen bildeten sich wahrscheinlich in der Frühgeschichte des Mars als ausgefällte Chloridsalze aus Sole.

In der neuen Studie zeigt Wang, dass ein besonders effizienter Weg, Chlor vom Boden in die Luft auf dem Mars zu transportieren, durch Reaktionen erfolgt, die durch elektrische Entladungen ausgelöst werden, die bei Staubaktivitäten auf dem Mars entstehen.

Wang und ihre Mitarbeiter führten eine Reihe von Experimenten durch, bei denen aus gewöhnlichen Chloriden hohe Ausbeuten an Chlorgasen erzielt wurden – alles durch Zappen der festen Salze mit elektrischer Entladung unter marsähnlichen Bedingungen. Sie führten diese Experimente unter Verwendung einer Planetensimulationskammer an der Washington University (genannt Planetary Environment and Analysis Chamber, or Pfirsich).

„Die hohe Freisetzungsrate von Chlor aus gewöhnlichen Chloriden, die diese Studie aufgedeckt hat, weist auf einen vielversprechenden Weg hin, um Oberflächenchloride in die Gasphasen umzuwandeln, die wir jetzt in der Atmosphäre sehen“, sagte Kevin Olsen, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Open University, in der Großbritannien und Co-Autor der neuen Studie.

„Diese Ergebnisse bieten Unterstützung dafür, dass die Staubaktivitäten auf dem Mars einen globalen Chlorkreislauf antreiben können. Mit dem ExoMars Trace Gas Orbiter sehen wir wiederholte saisonale Aktivitäten, die mit globalen und regionalen Staubstürmen zusammenfallen“, sagte er.

Auf dem Mars einfacher als auf der Erde

„Reibungselektrifizierung ist ein üblicher Prozess in unserem Sonnensystem, wobei die Aktivitäten des Marsstaubs bekanntermaßen eine starke Quelle für den Aufbau elektrischer Ladung sind“, sagte Wang, der Fakultätsmitglied des McDonnell Center for the Space Sciences der Universität ist. „Die dünne Atmosphäre auf dem Mars macht es viel einfacher, angesammelte elektrische Felder in Form von elektrostatischer Entladung abzubauen. Tatsächlich ist es auf dem Mars hundertmal einfacher als auf der Erde.“

Wissenschaftler, die an den Viking-Missionen beteiligt waren, die in den 1970er Jahren auf dem Mars landeten, schlugen erstmals vor, dass Staubstürme eine Quelle der neuen reaktiven Chemie auf dem roten Planeten sein könnten.

Die chemischen Wirkungen von Staubaktivitäten waren jedoch schwer zu untersuchen. Bestimmte Missionsmöglichkeiten, wie das 2016 gestartete ExoMars Schiaparelli EDM, scheiterten. Wissenschaftler wandten sich Modellen und experimentellen Studien zu.

In den letzten Jahren haben Wang und andere Wissenschaftler Forschungsergebnisse veröffentlicht, die zeigen, dass elektrostatische Entladungen, wenn sie mit Chlorsalzen in einer marsähnlichen, kohlendioxidreichen Umgebung interagieren, Perchlorate und Karbonate erzeugen und auch Chlor als Gas freisetzen können.

Aber diese neue Studie ist die erste, die zu quantifizieren versucht, wie viel dieser chemischen Produkte tatsächlich während Staubstürmen produziert werden.

„Die Reaktionsraten sind enorm“, sagte Wang. „Wichtig ist, dass das freigesetzte Chlor in einem kurzzeitigen elektrostatischen Entladungsprozess mittlerer Stärke auf einem prozentualen Niveau liegt.“ Das bedeutet, dass während eines siebenstündigen simulierten elektrostatischen Entladungsexperiments mindestens eines von 100 Chloridmolekülen zersetzt wird und dann sein Chloratom in die Atmosphäre freisetzt.

Ähnlich, aber etwas niedriger, liegen die Bildungsraten von Karbonaten und Perchloraten im Sub-Prozent- und Promillebereich, sagte Wang.

Diese hohen Erträge veranlassen Wang und ihr Team zu der Annahme, dass die Marsstaubaktivitäten mit drei globalen Phänomenen in Verbindung gebracht werden können, die kürzlich von Marsmissionen entdeckt wurden.

Elektrische Entladungen können mit den weltweit extrem hohen Konzentrationen von Perchlorat und Karbonat im Marsboden in Verbindung gebracht werden, sagte sie. Quantitativ kann das obere Ende der beobachteten Konzentrationsbereiche durch durch Staubstürme verursachte elektrische Entladungen innerhalb von weniger als der Hälfte der Amazonasperiode angesammelt werden, der jüngsten Periode der Marsgeschichte, die vermutlich vor etwa 3 Milliarden Jahren begonnen hat. Auch die hohe Ausbeute an freigesetzten Chloratomen aus Chloriden kann für die hohen Konzentrationen von Chlorwasserstoff verantwortlich sein, die in der Marsatmosphäre während der Staubsaison 2018 und 2019 beobachtet wurden, wenn man annimmt, dass 1 bis 10 cm dicker Staub auf der Marsoberfläche durch a aufgewirbelt würde globalen Staubsturm.

„Kein anderes uns bekanntes Verfahren kann dies leisten“, sagte Wang, „insbesondere mit einer so quantitativ hohen Ausbeute an Chlorfreisetzung.“