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Woher bekam der junge Mars seine Wärme?

Hohe Eiswolken könnten das frühe Marsklima entscheidend beeinflusst haben

MArs
Heute hat der Mars nur wenige hohe Eiswolken, doch in seiner Frühzeit könnte sie einen wärmenden Schleier um ihn gebildet haben. © NASA/JPL/MSSS

„Unmögliche“ Wärme: Forscher könnten ein großes Rätsel der Roten Planeten gelöst haben – warum das Marsklima früher mild war, obwohl Sonnenlicht und Atmosphärendruck dafür eigentlich nicht ausreichten. Demnach könnten hohe Eiswolken durch ihren Treibhauseffekt wie eine Wärmedecke gewirkt haben. Sie heizten die Marsoberfläche bis auf knapp unter null Grad auf – genug, um zumindest zeitweise Flüsse und Seen zu ermöglichen.

Der Mars war früher wärmer und feuchter als heute – er besaß Flüsse, Seen und vielleicht sogar einen Ozean. Strittig ist jedoch bislang, wie dies möglich war. Denn Modellen zufolge erhielt der junge Mars nur rund ein Drittel der Sonneneinstrahlung, die heute auf die Erde trifft. Seine Atmosphäre war zwar etwas dichter als heute, erreichte aber wahrscheinlich nicht viel mehr als 0,5 bis 1,3 Bar – dafür sprechen auch fehlende Karbonatablagerungen. Damit aber war die Marsluft zu dünn, um die Temperaturen mittels Treibhauseffekt auf den Gefrierpunkt oder knapp darüber zu bringen.

„Es gibt demnach eine fast beschämende Lücke zwischen den Beobachtungen und unserer Fähigkeit, sie physikalisch und chemisch zu erklären“, sagt Erstautor Edwin Kite von der University of Chicago.

Treibhauseffekt durch hohe Eiswolken?

Eine mögliche Lösung für dieses Problem könnten Kite und sein Team nun gefunden haben. Dafür haben sie eine gängige Hypothese noch einmal näher überprüft. Nach dieser könnten hohe Wolken aus gefrorenem Kohlendioxid oder Wassereis für den nötigen Treibhauseffekt auf dem Mars gesorgt haben. Diese Wolken in mehr als 30 Kilometer Höhe lassen den Großteil des einfallenden Sonnenlichts durch, halten aber die von der Oberfläche zurückkommende langwellige Strahlung zurück und heizen so die Atmosphäre und Oberfläche auf.

„Berechnungen haben gezeigt, dass schon die geringe Menge von 0,01 Kilogramm Wasser pro Quadratmeter in Form solcher Eiswolken die planetare Temperatur um 50 Kelvin erhöhen könnte“, erklären die Forscher. Allerdings ergaben bisherige Studien, dass solche Wolken unrealistische Eigenschaften besitzen müssten, um den nötigen Wärmeeffekt zu erzielen. So müsste das Wasser hundertfach länger in den Marswolken bleiben als in ihren irdischen Gegenparts – das galt bislang als physikalisch unplausibel.

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Wärmedecke für den jungen Mars

Für ihre Studie haben Kite und sein Team den jungen Mars und seine Atmosphäre in einer Modellsimulation nachgebildet. „Wir betrachten dabei einen anfänglich kalten, trockenen Planeten, auf dem oberflächliches Wasser(eis) zunächst auf die Südpolarregion und Höhenlagen von mehr als vier Kilometern beschränkt ist“, erklären die Forscher. Zudem gingen sie von 80 Prozent der heutigen Sonnenleuchtkraft und einem Druck der Marsatmosphäre von 0,6 Bar aus.

Es zeigte sich: Schon nah relativ kurzer Zeit gelangt genügend Wasserdampf in die Marsatmosphäre, um erste dünne Wolken in großer Höhe kondensieren zu lassen. Dadurch beginnt ein sich selbst verstärkender Prozess, bei dem sich die Marsoberfläche erwärmt, mehr Wasser verdunstet und sich mehr hohe Wolken bilden. Schließlich wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem der junge Mars von einem fast globalen Schleier dünner, hoher Eiswolken umgeben ist.

Marsklima
Durch Eiswolken erhöhte Jahresmitteltemperaturen auf dem jungen Mars. Grün umrahmt sind Regionen, in denen es mindestens 100 Marstage lang null Grad warm ist. © Kite et al. /PNAS

Warm genug für eisbedeckte Seen

Das hatte Folgen für das Marsklima: Der von den Wolken verursachte Treibhauseffekt hob die Temperaturen im globalen Mittel auf rund 265 Kelvin an – das entspricht etwa minus acht Grad Celsius. „An fast allen bekannten Standorten mit Paläoseen herrschten Temperaturen von mehr als minus fünf Grad Celsius und tagsüber mehreren Stunden mit Werten um null Grad“, berichten Kite und sein Team. „Das ist deutlich wärmer als die Schwelle, die in den antarktischen Trockentälern die Bildung großer, eisbedeckter Seen erlaubt.“

Damit könnte dieser Prozess erklären, wie der junge Mars trotz wenig Sonnenlicht und dünner Atmosphäre ein mildes Klima entwickeln könnte. Der Wärmeeffekt der hohen Eiswolken wärmte seine Oberfläche genug auf, um zumindest stellenweise und für eine gewisse Zeit Seen und Flüsse zu ermöglichen. „Dieses Szenario könnte die Lücke zwischen Beobachtung und Theorie schließen“, sagt Kite.

Hinweise darauf, ob dieses Modell stimmt, könnte der Marsrover Perseverance finden. Denn die von ihm gesammelten und von einer künftigen Mission zur Erde zurückgebrachten Gesteinsproben könnten chemische Indizien für diese Mechanismen liefern, wie die Forscher erklären.

Funktioniert nur bei eher trockenem Mars

Das Team liefert auch eine Erklärung dafür, warum frühere Modelle ihr Szenario nicht nachbilden konnten: Voraussetzung für die Bildung der hohen Eiswolken ist eine eher trockene, nicht zu eisreiche Marsoberfläche. Denn wenn große Flächen von Wassereis bedeckt sind, entstehen durch die Verdunstung dieses Wassers dicke, niedrige Wolken mit einem nur geringen Treibhauseffekt.

Dieses Szenario eines milden, aber eher trockenen Marsklimas passt gut zu früheren Studien, nach denen viele Marsflüsse wahrscheinlich nur zeitweise Wasser führten – ähnlich wie heute Wadis und Flussbetten in irdischen Trockenregionen. Unter diesen Bedingungen wäre auch der Wasseraustausch zwischen Atmosphäre und Oberfläche weniger ausgeprägt als auf der Erde und das in den Eiswolken gebundene Wasser würden sich in ihnen länger halten – gut ein Jahr statt nur zehn Tage wie auf der Erde.

„Der Kreislauf auf dem Mars ist anders als der auf der Erde, in dem Wasser sehr schnell zwischen Atmosphäre und Oberfläche ausgetauscht wird“, sagt Kite. „Das erzeugt die Bedingungen für langlebige Höhenwolken.“ (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2101959118)

Quelle: University of Chicago

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