Wie der Mars seine Atmosphäre verlor

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Die UV-Strahlung der Sonne und der Sonnenwind – ein permanenter Strom elektrisch geladener Teilchen – hat die ursprünglich dichte Kohlendioxid-Atmosphäre des Planeten Mars ins Weltall hinaus geblasen. Das zeigen Messungen der Häufigkeit von zwei Isotopen des Edelgases Argon in der heutigen dünnen Atmosphäre des Roten Planeten, die Forscher aus den USA mit den Detektoren an Bord der Marssonde Maven durchgeführt haben. Ursprünglich sei die Mars-Atmosphäre ähnlich dicht wie die der Erde gewesen, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Science“.

„Der Abströmen von Gas ins Weltall war sicherlich der wichtigste Prozess, der den Mars mit seinem ursprünglich warmen und feuchtem Klima in die heutige kalte, trockene Welt verwandelt hat“, erläutert Bruce Jakosky von der University of Colorado in Boulder, einer der Chefwissenschaftler der Maven-Mission. Die Raumsonde umkreist seit November 2014 den Roten Planeten und durchquert auf ihrer elliptischen Umlaufbahn immer wieder die oberen Schichten der Mars-Atmosphäre. Dabei misst sie mit ihren Detektoren die chemische Zusammensetzung und den physikalischen Zustand der Atmosphäre.

Jakosky und sein Team richteten ihr Augenmerk insbesondere auf zwei Isotope des Edelgases Argon. Da die Isotope ein unterschiedliches Atomgewicht besitzen, kommen sie in unterschiedlichen Höhen unterschiedlich häufig vor. Außerdem kann das leichtere Isotop leichter ins All entweichen. Und da Argon ein Edelgas ist, reagiert es nicht mit anderen Stoffen. Im Gegensatz zu anderen Gasen kann es daher nicht durch chemische Prozesse in Gestein gebunden werden. Für eine Abnahme des Argon-Gehalts in der Atmosphäre kommt also ausschließlich ein Abströmen ins All als Ursache infrage.

Der entscheidende Prozess dabei ist das „Ionen-Sputtering“. Die UV-Strahlung der Sonne ionisiert zunächst die Atome des Gases. Die geladenen Partikel des Sonnenwinds reißen dann die Ionen mit sich ins All hinaus. Die Maven-Messungen zeigen, dass der Mars etwa zwei Drittel seines Argons ins Weltall verloren hat. Daraus konnten Jakosky und seine Kollegen die Effektivität des Ionen-Sputterings ermitteln und anschließend auf andere Gase anwenden. Demnach besaß der Mars ursprünglich eine dichte Kohlendioxid-Atmosphäre ähnlich der Erde. Doch während die Erde durch ein starkes Magnetfeld vor dem Sonnenwind geschützt ist, konnte der Teilchenstrom die Lufthülle des Nachbarplaneten zerstören.

Die dichte Kohlenstoff-Atmosphäre konnte über einen Treibhaus-Effekt für ein warmes und feuchtes Klima auf dem jungen Mars sorgen – so war auch flüssiges Wasser auf der Oberfläche möglich. Das deckt sich auch mit Maven-Messungen des heutigen Wasser-Verlusts durch Abströmen ins Weltall. Rechnet man diesen Verlust über die gesamte Geschichte des Roten Planeten hoch, so Jakosky und seine Kollegen, so entspricht er einem 3,5 bis 24 Meter tiefen globalen Ozean. Allerdings könne der Verlust in der Frühzeit des Mars, als die Sonne aktiver war als heute, auch wesentlich höher gewesen sein.

Quelle: dx.doi.org/10.1126/science.aai7721

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