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Mars: Zu klein für urzeitliche Ozeane?

Isotopenmessungen deuten auf Mindestgröße für wasserreiche Himmelskörper hin

junger Mars
Hatte der junge Mars einst wirklich genug Wasser für Seen und Ozeane? Bisher ist diese Frage strittig. © NASA, Sean Garcia/ Washington University

Von Beginn an benachteiligt? Die geringe Größe des Mars könnte an seinem Mangel an Wasser und Leben schuld sein. Denn Isotopendaten legen nahe, dass ein Himmelskörper eine gewisse Mindestgröße haben muss, um genug flüchtige Elemente an sich zu binden. Der Rote Planet könnte genau auf dieser Grenze liegen und daher schon anfangs weniger Wasser und flüchtige Verbindungen besessen haben als Erde und Venus, wie Forscher berichten. Das Wissen um diese Grenze könnte auch für die Suche nach außerirdischem Leben wichtig sein.

Der Mars war in seiner Anfangszeit etwas wärmer als heute und könnte flüssiges Wasser in Form von Seen und Flüssen besessen haben – darauf scheinen Sedimente und Flussbett-ähnliche Landschaftsformen hinzudeuten. Umstritten ist allerdings, wie viel Wasser es einst auf dem Roten Planeten gab: Besaß er sogar Ozeane und verlor diese erst nachträglich zusammen mit einem Großteil seiner Atmosphäre? Oder war unser Nachbarplanet selbst zu seinen besten Zeiten doch eher trocken und kalt?

„Es ist unstrittig, dass es einst flüssiges Wasser auf der Oberfläche des Mars gab, aber wie viel es war lässt sich allein auf Basis von Fernerkundung und Rover-Daten schwer ermessen“, erklärt Seniorautor Kun Wang von der Washington University in St. Louis.

Kalium als Indikator für flüchtige Elemente

Wang und sein Team haben daher einen anderen Ansatz gewählt: Für ihre Studie unterzogen sie 20 Marsmeteoriten einer Kalium-Isotopenanalyse. Dieses Element ist relativ flüchtig und gilt als hinreichend stabiler Anzeiger dafür, wie viel flüchtige Elemente das Gestein eines Himmelskörpers enthält. Weil das Kalium-Isotopenverhältnis durch Schmelzen, Einschlagshitze, Ausgasen oder andere geologische Erhitzungsprozesse nicht verändert wird, behalten auch Meteoriten die Kalium-Signatur ihres Herkunftskörpers.

„Marsmeteoriten sind bisher die einzigen Proben, an denen wir die chemische Zusammensetzung des Marsinneren direkt untersuchen können“, sagt Wang. Die 20 untersuchten Marsmeteoriten bestehen aus ganz unterschiedlichen Gesteinen und wurden zu verschiedenen Zeiten von der Oberfläche des Roten Planeten ins All geschleudert. „Ihr Alter reicht von wenigen hundert zu vier Milliarden Jahren“, so Wang. „Dadurch liefern sie Daten aus verschiedenen Phasen und Schichten des Planeten.“

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Wenig Wasser schon zu Beginn

Die Analysen ergaben: Das Marsgestein enthält deutlich weniger schwere Kalium-Isotope als beispielsweise irdische Gesteine. „Die Daten zeigen, dass der Anteil des leichtere Kalium-Isotops 41-K im Marsgestein im Schnitt rund 0,28 Promille geringer ist als auf der Erde“, berichten die Forscher. Damit ist der Mars im Vergleich zur Erde mit schwereren Kalium-Isotopen angereichert. Anders ausgedrückt: Er enthält weniger leichtere und damit flüchtigere Kaliumatome.

Aus ergänzenden Analysen und Datierungen schließen Wang und sein Team, dass der Rote Planet diese flüchtigeren Elemente nicht erst in seiner Spätzeit verloren hat, sondern dass er schon in seiner Anfangszeit weniger davon besessen haben muss als die Erde oder Venus.

Für den Wasserreichtum des jungen Mars sind dies keine ermutigenden Daten. Denn wenn der Rote Planet schon zu Beginn wenig leichtes Kalium ansammeln und halten konnte, dann betraf dies in weit stärkerem Maße das noch flüchtigere Wasser. Der Mars könnte demnach selbst in seiner lebensfreundlichsten Zeit nicht genug Wasser für Ozeane oder große Seen und Flüsse besessen haben. „Das Schicksal des Mars stand damit von Anfang an fest“, sagt Wang.

Eine Frage der Größe

Aber warum? Eine Antwort lieferte der Vergleich mit Isotopendaten von anderen Planeten sowie dem Mond und dem Asteroiden Vesta. Wie das Team feststellte, zeigen die Kaliumwerte dieser Himmelskörper eine deutliche Korrelation zu ihrer Größe und Masse: Je kleiner und leichter sie sind, desto weniger flüchtige Elemente in Form von Wasser, Gasen und leichten Metallen konnten sie schon bei ihrer Bildung festhalten.

Das aber bedeutet: „Wahrscheinlich gibt es eine gewisse Mindestgröße, ab der Gesteinsplaneten genug Wasser festhalten können, um habitabel zu sein und eine Plattentektonik zu starten“, sagt Wang. Die Erde und Venus liegen deutlich über dieser Mindestgröße und ihre Schwerkraft war daher von Beginn an groß genug, um genug Wasser anzusammeln und zu halten – diese Planeten waren in ihrer Frühzeit beide wasserreich und besaßen Ozeane.

Der Mars dagegen liegt in Bezug auf seine Größe und Masse im Bereich des Grenzwerts. Bei ihm könnte die Schwerkraft zwar gereicht haben, um zumindest ein wenig Wasser und flüchtige Elemente festzuhalten. Für ganze Ozeane aber könnte der Rote Planet schon von Anfang an zu klein gewesen sein.

Relevant auch für Exoplaneten und außerirdisches Leben

Nach Ansicht der Wissenschaftler haben diese Zusammenhänge auch erhebliche Bedeutung für die Erforschung von Exoplaneten und die Suche nach außerirdischem Leben. Denn zumindest für Gesteinsplaneten im inneren Bereich ihrer Planetensysteme beeinflusst neben der Entfernung von ihrem Stern auch die Größe und Masse ihren Wasserreichtum und damit ihre Lebensfreundlichkeit. „Und die Größe ist einer der Parameter, die bei einem Exoplaneten am leichtesten zu bestimmen sind“, sagt Wang.

Koautor Klaus Mezger von der Universität Bern ergänzt: „Unsere Studie unterstreicht, dass es nur einen begrenzten Größenbereich für Planeten gibt, in dem sie gerade genug, aber nicht zu viel Wasser ansammeln, um eine habitable Oberfläche zu bilden. Diese Ergebnisse können Astronomen bei der Suche nach lebensfreundlichen Exoplaneten als Leitschnur dienen.“ (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2101155118)

Quelle: Washington University in St. Louis

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