Nach 40 Jahren endlich nachgewiesen: Zum ersten Mal haben Forscher das Phänomen des grünen Nachthimmellichts auf einem anderen Planeten beobachtet – auf dem Mars. Bisher war dieses schwache grüne Schimmern der hohen Atmosphäre nur von der Erde bekannt. Jetzt belegen Daten der ESA-Raumsonde Trace Gas Orbiter, dass auch der Mars diesen grünen Airglow besitzt. Er entsteht durch den Zerfall von Kohlendioxid, wenn dieses von solarer UV-Strahlung getroffen wird.
Aus dem All kann man es sehen: Die Erdatmosphäre schimmert nachts geisterhaft grünlich, rötlich oder gelb – auch wenn keine Polarlichter leuchten. Dieser sogenannte Airglow entsteht, weil die tagsüber einfallende UV-Strahlung der Sonne die Gasmoleküle in der Atmosphäre anregt. Wenn die Atome mit einiger Verzögerung wieder in den Grundzustand zurückfallen, geben sie Photonen ab. Deshalb hält dieses Nachthimmelleuchten auch nachts noch an.
Die oft grüne Färbung des irdischen Airglow – und auch vieler Polarlichter – wird durch angeregte Sauerstoffatome hervorgerufen. Sie geben Licht der Wellenlänge 557,7 Nanometer ab, was einem intensiven Grün entspricht.
Airglow-Fahndung am Roten Planeten
Aber wie ist das auf anderen Planeten? Solange sie eine Atmosphäre besitzen, in der es sauerstoffhaltige Moleküle gibt, könnten auch sie das grüne Nachthimmellicht zeigen. Tatsächlich haben Wissenschaftler schon vor rund 40 Jahren postuliert, dass es auf dem Mars den grünen Airglow geben müsste. Doch der Nachweis dieses Phänomens ist nie gelungen – weder auf dem Mars noch auf einem anderen Planeten.
Das hat sich nun geändert. Zu verdanken ist dies einem gezielten Kippen einer der Raumsonden, die zurzeit den Mars umkreisen. Normalerweise zeigen die Instrumente des Trace Gas Orbiter (TGO) der europäischen Raumfahrtagentur ESA senkrecht nach unten in Richtung Marsoberfläche – zum Nadir. Das gilt auch für das UVIS-Spektrometer, das ultraviolette und sichtbare Lichtemissionen einfängt und in ihre Wellenlängenanteile auftrennt.
„Wir haben uns entschieden, den Nadir-Kanal des UVIS neu auszurichten, so dass er auf den Rand des Mars zeigt“, berichten Jean-Claude Gérard von der Universität Liége und seine Kollegen. Von April bis Dezember 2019 spähte das UVIS-Spektrometer demnach schräg durch die Mars-Atmosphäre.
Großer „Zacken“ bei 557,7 Nanometern
Und tatsächlich: Als die Forscher die Daten auswerteten, zeigte sich ein auffallender Ausschlag des Spektrometers bei 557,7 Nanometer Wellenlänge – genau im grünen Bereich des Airglow. Wie Gérard und sein Team berichten, stach das grüne Leuchten nicht nur eindeutig aus dem Hintergrundlicht heraus, sondern war sogar stärker als auf der Erde. „Dort ist die sichtbare Emission viel schwächer“, so Gérard.
Damit ist nun klar: Die Erde ist nicht der einzige Planet, auf dem das Phänomen des grünen Nachthimmelleuchtens auftritt. „Dies ist das erste Mal, dass diese wichtige Lichtemission auf einem anderen Planeten als der Erde beobachtet worden ist“, sagt Håkan Svedhem von der ESA. Unser Nachbarplanet eröffnet damit einen neuen Blick auf die Vorgänge in den Gashüllen anderer Planeten. „Schon vor 40 Jahren hat man vorhergesagt, dass es diese Emission auf dem Mars gibt – jetzt haben wir sie dank des TGO endlich gefunden“, sagt Gérard.
Zerschlagenes Kohlendioxid ist der Urheber
Aber wie entsteht das grüne Leuchten? Anders als auf der Erde gibt es in der Gashülle des Mars kaum freie Sauerstoffmoleküle. Seine Atmosphäre besteht zu gut 95 Prozent aus Kohlendioxid, zu jeweils etwa zwei Prozent aus Argon und Stickstoff und nur zu 0,13 Prozent aus Sauerstoff. Um herauszufinden, wie in dieser Mischung angeregter Sauerstoff entstehen kann, rekonstruierten die Forscher das Geschehen in einem Modell.
Dabei zeigte sich: Das Leuchten über dem Roten Planeten entsteht etwas anders als auf der Erde. „Diese Emission entsteht hauptsächlich dadurch, dass CO2 in seine Bestandteile Sauerstoff und Kohlenstoff zerlegt wird“, erklärt Gérard. Diese Photodissoziation ereignet sich, wenn energiereiche Strahlung von der Sonne auf die CO2-Moleküle trifft und sie quasi zersprengt. Die dabei gebildeten angeregten Sauerstoffatome sind es dann, die diese Strahlung abgeben, bevor sie sich wieder zu neuen CO2-Molekülen verbinden.
Nähere Analysen ergaben, dass dieser Prozess in zwei Bereichen der Marsatmosphäre abläuft: Der größte Peak des Airglows liegt in rund 80 Kilometern Höhe, ein weiterer, schwächerer in 120 Kilometern Höhe.
Wichtige Einblicke in Planetenatmosphären
Die Entdeckung des grünen Nachthimmellichts auf dem Mars bestätigt aber nicht nur, dass die Erde in dieser Hinsicht kein Einzelfall ist, sie gibt auch wertvolle Einblicke in die Prozesse, die die Gashüllen von Planeten und ihre Wechselwirkung mit kosmischer Strahlung prägen. Gleichzeitig hat das Wissen um die Vorgänge in der Marsatmosphäre auch ganz praktische Bedeutung für die Raumfahrt. Denn sie beeinflussen unter anderem die Landung von Raumsonden auf dem Roten Planeten. (Nature Astronomy, 2020; doi: 10.1038/s41550-020-1123-2)
Quelle: European Space Agency (ESA)
