Mit Bomben: So hat die Sonne dem Mars Atmosphäre und Wasser entzogen.

Im komplexen Puzzle der Mars-Vergangenheit gibt es ein Stück, das Planetengeologen seit Jahrzehnten zu entschlüsseln versuchen. Zu Beginn seiner Existenz könnte der heute dürre und trockene Rote Planet eine geschäftige, wasserreiche Welt gewesen sein, mit mächtigen Flüssen, die Seen so groß wie Meere speisten. Riesige Wasserflächen, die möglicherweise die Verheißung von Leben bargen.

Heute jedoch ist der Nachbarplanet nichts weiter als eine öde, ausgedörrte, gefrorene Wüste, in der Wasser in Form von Eis Mangelware ist und nur noch der Schatten einer einst feuchten Vergangenheit birgt. Wo ist das ganze Wasser auf dem Mars geblieben und warum? Diese Frage, das fehlende Puzzleteil, beschäftigt Wissenschaftler schon lange.

Nach mehr als einem Jahrzehnt sorgfältiger Beobachtung und Analyse hat die NASA-Mission MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution), die seit November 2013 den Mars umkreist, nun einen schwer fassbaren Mechanismus entdeckt, der das fehlende Puzzleteil sein könnte. Ein sogenannter „ Sputterprozess “ könnte der Schlüssel zum Verständnis sein, wie der Mars den Großteil seines Wassers verlor. Die Entdeckung wurde kürzlich in „ Science Advances “ veröffentlicht.

Die Marsoberfläche erzählt keine Geschichte: Sie ist überzogen mit unverkennbaren Narben aus einer viel feuchteren Vergangenheit. Täler, die einst Flüsse waren, ausgetrocknete Seebetten und Mineralien, die sich nur in Gegenwart von Wasser bilden, zeugen von einer Zeit, als flüssiges Wasser ungehindert über den Planeten floss.

Und wir wissen, dass der Mars, um all das flüssige Wasser zu erhalten, in der Vergangenheit eine viel dichtere Atmosphäre gehabt haben muss als heute – ähnlich der der Erde –, die Wärme speichern und einen hohen Oberflächendruck aufrechterhalten konnte. Zu verstehen, wann und wie diese Atmosphäre schwand, ist entscheidend, um die klimatische Entwicklung des Roten Planeten zu rekonstruieren und damit zu bestimmen, wie lange er bewohnbar geblieben sein könnte.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler immer mehr Hinweise darauf gesammelt, dass der Sonnenwind – der ständige Strom geladener Teilchen, den die Sonne aussendet – für den Verlust eines Großteils der Marsatmosphäre verantwortlich sein könnte. Im April 2022 wurde die internationale astronomische Gemeinschaft Zeuge, wie eine gewaltige Sonneneruption Merkur „überflog“ und mit einem Schlag einen Teil seiner Atmosphäre abriss . Es war ein heftiger und punktueller Ausbruch, anders und viel stärker als der Sonnenwind, ein kontinuierlicher, nie versiegender Strom. Doch das Ereignis verdeutlichte die Fähigkeit unseres Sterns, seine Planeten abzustreifen.

Das von der MAVEN-Mission entdeckte Zerstäuben ist ein Fluchtprozess, bei dem Atome durch energiereiche geladene Teilchen aus der Atmosphäre geschleudert werden. „Es ist, als würde man eine Bombe in ein Schwimmbecken werfen“, erklärt Shannon Curry, MAVEN-Leiterin am Labor für Atmosphären- und Weltraumphysik der University of Colorado Boulder und Hauptautorin der Studie. „Die Bombe besteht in diesem Fall jedoch aus den schweren Ionen, die sehr schnell in die Atmosphäre einschlagen und neutrale Atome und Moleküle zerstäuben.“ Es handelt sich also um einen ständigen „Beschuss“ winziger Kanonenschüsse, die wie das Wasser in einem Schwimmbecken Atome und Moleküle aus der oberen Marsatmosphäre „zerstäuben“, sie so von der Anziehungskraft des Planeten befreien und ins All schleudern.

Obwohl Wissenschaftler zuvor indirekte Hinweise auf dieses „Sputtern“ gefunden hatten, hatten sie es nie direkt beobachtet. Frühere Hinweise stammten aus der Analyse von Argonisotopen in der oberen Marsatmosphäre. Leichtere Isotope setzen sich höher in der Atmosphäre ab als ihre schwereren Gegenstücke. Man entdeckte, dass es in der Marsatmosphäre deutlich weniger leichte als schwere Argonisotope gab, und es stellte sich heraus, dass diese leichteren Isotope nur durch Sputtern entfernt werden können. „Es war, als hätten wir die Asche eines Lagerfeuers gefunden“, erklärt Shannon Curry. „Aber wir wollten das eigentliche Feuer – in diesem Fall das Sputtern – direkt sehen.“

Um das Sputtern in Aktion zu beobachten, benötigte das MAVEN-Team gleichzeitige Messungen am richtigen Ort und zur richtigen Zeit von drei Instrumenten an Bord der Raumsonde: dem Sonnenwind-Ionenanalysator, dem Magnetometer und dem Neutralgas- und Ionenmassenspektrometer. Die Forscher benötigten außerdem Messungen sowohl auf der Tag- als auch auf der Nachtseite des Planeten in geringer Höhe, was jahrelange Beobachtungen erforderte.

Durch die Kombination der Daten dieser Instrumente konnten die Autoren der Studie schließlich eine neuartige Karte der Argon-Sputterbewegung im Zusammenhang mit dem Sonnenwind erstellen. Diese Karte zeigte das Vorhandensein von Argon in großen Höhen genau an den Stellen, an denen energiereiche Teilchen auf die Atmosphäre treffen und Argon „sputtern“, und zeigte die Sputterbewegung in Echtzeit. Die Forscher entdeckten außerdem, dass der Prozess viermal häufiger auftritt als bisher angenommen und dass sich diese Rate während Sonnenstürmen erhöht.

Direkte Beobachtungen des Sputterns in der Marsatmosphäre bestätigen, dass dieser Prozess, wie vermutet, eine Hauptursache für den Atmosphärenverlust in der Frühgeschichte des Mars war, als die Sonnenaktivität deutlich intensiver war. Dabei ist zu bedenken, dass die junge Sonne in ihrer Frühzeit aktiver war und stärkere und häufigere Sonnenwindströme aussendete als heute, was den Effekt des Sputterns verstärkt hätte.

„Diese Ergebnisse“, so Curry, „belegen die Rolle des Sputterns beim Verlust der Marsatmosphäre und bei der Bestimmung der Geschichte des Wassers auf dem Mars.“ Die Entdeckung wird Wissenschaftlern helfen, die Bedingungen, unter denen flüssiges Wasser auf der Marsoberfläche existieren konnte, und die Auswirkungen, die dies auf die Bewohnbarkeit des Planeten vor Milliarden von Jahren hatte, endlich zu verstehen. Falls es auf dem Mars jemals Leben gab, entwickelte es sich wahrscheinlich, als der Planet wärmer und feuchter war. Das Sputtern bietet uns einen Einblick in die Vergangenheit des Mars und ermöglicht uns ein besseres Verständnis dafür, wie lange der Rote Planet ein günstiges Umfeld für Leben gewesen sein könnte.

Darüber hinaus könnte diese Studie auch Auswirkungen auf die Bestimmung der Bewohnbarkeit anderer Exoplaneten haben. Besitzt ein Exoplanet eine Atmosphäre und ist einem starken Sternwind ausgesetzt, könnte Sputtern ein wichtiger Mechanismus für den Verlust der Atmosphäre sein und so sein Potenzial für Leben beeinträchtigen.