Der Mars fasziniert Wissenschaftler und Laien gleichermaßen seit Jahrhunderten. Seine dünne Atmosphäre und die Hinweise auf einst vorhandenes Wasser werfen spannende Fragen zur Entwicklung und möglichen Bewohnbarkeit des Planeten auf. Ein wichtiger Faktor für das Verständnis dieser Entwicklungen ist das Phänomen des sogenannten „Sputterns“ der Marsatmosphäre, dessen direkte Beobachtung nun erstmals gelungen ist. Dabei handelt es sich um einen Prozess, durch den Atome und Moleküle aus der oberen Atmosphäre von Mars von geladenen Teilchen des Sonnenwinds so stark beschleunigt werden, dass sie in den Weltraum entweichen können. Diese Entdeckung eröffnet ein neues Fenster in die Ursachen des atmosphärischen Schwunds und die Evolution des Planeten.
Ohne ein globales Magnetfeld wie die Erde ist die Atmosphäre des Mars besonders anfällig gegenüber den Einflüssen des Sonnenwinds. Während die Erde durch ihr schützendes Magnetfeld vor der direkten Anströmung durch geladene Teilchen geschützt ist, trifft auf dem Mars ein elektrisches Feld des Sonnenwinds direkt auf die Atmosphäre. Dort beschleunigen Ionen vom Sonnenwind die Atome der Marsatmosphäre, wie beispielsweise Argon, und schleudern sie in den Weltraum hinaus. Dieses Phänomen nennt man Sputtern, ein Prozess, der im Sonnensystem seit Milliarden von Jahren stattfindet, besonders in den frühen Zeiten, als die Sonnenaktivität deutlich höher war. Die Bestimmung, dass dieses Phänomen auf dem Mars tatsächlich geschieht, war bisher eine große Herausforderung.
Es erforderte die gleichzeitige Beobachtung von geladenen Teilchen, neutralen Atomen und des elektrischen Feldes, das sie antreibt, sowie Messungen an Tag- und Nachtseite des Planeten. Der NASA-Marsatmosphären- und Volatile Evolution-Sonde (MAVEN) gelang dies jedoch. Seit ihrer Ankunft auf dem Mars im Jahr 2014 sammelt die Sonde kontinuierlich Daten, die Wissenschaftlern die Möglichkeit geben, das Sputtern zu analysieren und besser zu verstehen. Ein Forscherteam unter Leitung von Dr. Shannon Curry von der University of Colorado Boulder untersuchte die MAVEN-Daten über fast ein Jahrzehnt.
Besonders fokussierten sie sich auf die Beobachtung von Argon in der oberen Atmosphäre Mars, da Argon als Tracer die Spuren des Sputterns besonders gut zeigt. Die Beobachtungen zeigten, dass oberhalb von etwa 350 Kilometern Höhe die Dichte von Argon in Abhängigkeit von der Ausrichtung des elektrischen Feldes des Sonnenwinds schwankt. Dies ist ein starkes Indiz dafür, dass der Sonnenwind tatsächlich die Argonatome aus der Atmosphäre herausreißt. Ein weiteres überzeugendes Ergebnis ergab sich aus der Untersuchung der Isotopenverteilung von Argon. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass leichtere Argonisotope durch das Sputtern bevorzugt entkommen, während schwerere Isotope zurückbleiben.
Dieses Ungleichgewicht konnte nur durch aktives Sputtern erklärt werden und liefert somit den entscheidenden Beweis für diesen atmosphärischen Verlustmechanismus. Besonders eindrucksvoll waren die Daten eines starken Sonnensturms im Januar 2016. Während dieser erhöhten Sonnenaktivität nahm das Sputtern deutlich zu, was zeigt, wie dynamisch und stark variabel dieser Prozess ist. Diese Beobachtung hilft auch, Rückschlüsse auf die Bedingungen auf dem Mars in der frühen Geschichte unseres Sonnensystems zu ziehen. Damals war die Sonnenaktivität höher und solche Sonnenstürme häufiger, womit das Sputtern wahrscheinlich eine dominierende Rolle beim atmosphärischen Schwund spielte.
Die Erkenntnisse der Studie deuten darauf hin, dass das Sputtern auf dem Mars heute bis zu viermal intensiver ist als bisher angenommen. Diese höhere Rate bedeutet, dass der atmosphärische Verlust bedeutender ist, als frühere Modelle vermuteten. Das bestätigt auch, dass Sputtern ein wesentlicher Mechanismus war, der den Mars im Laufe der Zeit seiner Atmosphäre beraubte und so indirekt dafür sorgte, dass flüssiges Wasser auf der Oberfläche langfristig verschwand. Die Folgen dieser Ergebnisse sind weitreichend. Zum einen helfen sie, den klimatischen Wandel auf dem Mars besser zu verstehen.
Die Abschwächung der Atmosphäre beeinflusst nicht nur die Temperatur und den Druck auf der Planetenoberfläche, sondern auch die Fähigkeit des Planeten, Wasser in flüssiger Form zu speichern. Die Hinweise auf Sputtern bestärken die Theorie, dass der ehemals „warme und feuchte“ Mars langsam zu der trockenen und kalten Wüstenwelt wurde, die wir heute kennen. Zum anderen sind die Ergebnisse bedeutend für die Suche nach möglichem Leben und die Bewertung der Habitabilität des Mars. Eine dichte Atmosphäre und Wasser sind entscheidende Voraussetzungen für Leben, wie wir es kennen. Das Verständnis der atmosphärischen Evolution liefert somit wichtige Hinweise darauf, wie lange und unter welchen Bedingungen der Mars Leben hätte beherbergen können.
Darüber hinaus bieten diese Erkenntnisse für zukünftige Missionen zur Mars-Erkundung wichtige Parameter. Während astronomische Landungen überleben und wissenschaftliche Geräte funktionieren müssen, sind auch Modelle über Atmosphärenverluste für die Planung von bemannten Missionen relevant. Sie helfen zu verstehen, wie die Marsumgebung heute ist und welche Risiken dort möglicherweise herrschen. Die Forschungen rund um das Sputtern auf dem Mars zeigen, wie aktuelle Technologien und langjährige Datensammlungen die Grundlagenforschung über Planeten derart voranbringen können, dass bisher theoretisch angenommene Prozesse nun beobachtbar und messbar werden. So leistet die MAVEN-Mission einen wertvollen Beitrag, um die Geschichte unseres Nachbarplaneten zu entschlüsseln und das Verständnis planetarer Evolution in unserem Sonnensystem zu erweitern.
Die Arbeit von Dr. Curry und ihrem Team steht exemplarisch für die interdisziplinäre Zusammenarbeit in der Planetologie und Atmosphärenforschung. Sie verbindet Plasma-Physik, chemische Analyse und Weltraumtechnik mit der Erforschung der Klimageschichte eines ganzen Planeten. Die Ergebnisse sind nicht nur ein wissenschaftlicher Durchbruch, sondern auch eine Inspirationsquelle für weitere Forschungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die bestätigte Beobachtung des atmosphärischen Sputterns auf dem Mars eine der wichtigsten Entdeckungen der letzten Jahre in der Planetarwissenschaft darstellt.
Sie liefert eine Antwort auf lange offene Fragen zur atmosphärischen und hydrologischen Vergangenheit des Mars, erklärt den Verlust von Luft und Wasser und unterstützt die Hypothese, dass der Rote Planet einst lebensfreundlichere Bedingungen aufwies. Zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, das Sputtern noch besser zu quantifizieren, langfristige Trends zu erkennen und die Rolle dieses Prozesses im Kontext anderer atmosphärischer Mechanismen zu verstehen. Zudem könnten Weiterentwicklungen in der Satellitentechnologie noch detailliertere Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Mars und Sonnenwind ermöglichen. Dies könnte die Grundlage für neue Modelle zur Marsatmosphäre und letztendlich für eine bessere Vorbereitung auf zukünftige menschliche Erforschung dieser faszinierenden Welt bilden.
