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Mars: Protonen-Aurora ist „fleckig“

Erster Nachweis von Lücken und Flecken in exotischem Polarlicht des Roten Planeten

Protonen-Aurora
Die Protonen-Aurora des Mars ist in diesen Aufnahmen des UV-Spektrografen EMUS als ultraviolettes Leuchten in den Wellenlängen 102,6 Nanometer (links) und 121,6 Nanometer zu erkennen. © EMM/EMUS

Überraschend anders: Daten zweier Marssonden haben neue Informationen zur erst 2018 entdeckten Protonen-Aurora des Mars geliefert – einer exotischen Form des Polarlichts, die auch ohne Magnetfeld-Einfluss entstehen kann. Demnach tritt diese im ultravioletten Licht sichtbare Leuchterscheinung nicht gleichmäßig über der gesamten Tagseite des Planeten auf, sondern variiert zeitlich und räumlich stark. Welche Mechanismen genau dahinter stecken, muss allerdings noch geklärt werden.

Auf der Erde entstehen die meisten Polarlichter durch Elektronen des Sonnenwinds, die vom Erdmagnetfeld abgelenkt und beschleunigt werden. In den polaren Breiten kollidieren diese Elektronen mit den Gasteilchen der Ionosphäre und regen diese dazu an, Energie in Form von Licht abzugeben. Der Mars hingegen hat kein globales Magnetfeld, dürfte daher gängiger Lehrmeinung nach auch keine Auroren bilden.

Mars-Auroren
Mechanismus der normalen und der fleckigen Protonen-Aurora auf dem Mars. © Emirates Mars Mission/UAE Space Agency

Aurora durch Protonen des Sonnenwinds

Doch im Jahr 2018 belehrte der Rote Planet die irdische Wissenschaft eines Besseren: Daten der NASA-Raumsonde MAVEN enthüllten, dass bei Sonnenstürmen die gesamte Tagseite des Planeten ein schwaches ultraviolettes Leuchten abgibt – eine großflächige Protonen-Aurora. Sie entsteht, wenn Protonen des Sonnenwinds auf die Mars-Ionosphäre treffen und dort mit Elektronen zu neutralem Wasserstoff reagieren. Das ermöglicht es ihnen, trotz der ablenkenden „Bugwelle“ der Ionosphäre in die Marsatmosphäre einzudringen.

Dort geben die angeregten Wasserstoffmoleküle des Sonnenwinds einen Teil ihrer Energie wieder ab und erzeugen so das UV-Licht. Anders als bei den typischen Polarlichtern entsteht das Leuchten auf dem Mars demnach durch die Sonnenwindteilchen selbst und nicht durch angeregte Moleküle der Atmosphäre. In den bisherigen Aufnahmen der MAVEN-Sonde erschien diese marsianische Protonen-Aurora als gleichmäßig helle Fläche, die sich über die gesamte Tagseite des Planeten erstreckt.

Unregelmäßiger als gedacht

Jetzt enthüllen neue Daten, dass sich dahinter mehr verbirgt. Für ihre Studie hatten Michael Chaffin von der University of Colorado in Boulder und seine Kollegen neue Daten neue Messdaten der MAVEN-Sonde und des UV-Spektrografen (EMUS) der arabischen Marssonde „Hope“ ausgewertet. „Diese Art der simultanen Beobachtungen geben Aufschluss über die grundlegende Physik der atmosphärischen Dynamik“, erklärt Koautorin Shannon Curry von der University of California in Berkeley.

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Die Auswertungen ergaben, dass die Protonen-Aurora des Mars weniger gleichmäßig ist als gedacht. Stattdessen zeigen sich starke Unterschiede in der zeitlichen und räumlichen Intensität der UV-Strahlung. „Wir präsentieren damit die ersten definitiven Belege für eine räumlich lokalisierte, ‚fleckige‘ Protonen-Aurora auf dem Mars“, berichtet das Forschungsteam.

Turbulenzen im Mars-Umfeld

Die Forschenden vermuten, dass die lückenhafte Verteilung der marsianischen Aurora auf Turbulenzen zurückgeht, die bei der Interaktion von Sonnenwind und Mars-Ionosphäre entstehen. „Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass das Plasma-Umfeld des Mars ziemlich gestört sein muss“, erklärt Chaffin. „Das reicht so weit, dass der Sonnenwind an den Stellen, an denen wir die starke Aurora-Emission beobachteten, direkt in die obere Mars-Atmosphäre eindringen konnte. Was wir als Aurora gesehen haben, war daher im Prinzip eine Karte, die uns zeigt, wo der Sonnenwind auf den Planeten hinabregnet.“

Allerdings ist noch ist nicht im Detail geklärt, wie diese Turbulenzen in der Mars-Ionosphäre und in der Protonen-Aurora zustande kommen. „Auch die Auswirkungen dieser Bedingungen auf die Marsatmosphäre sind noch unbekannt“, sagt Chaffin. Aber er und sein Team hoffen, dass die beiden Raumsonden MAVEN und Hope durch ihre sich ergänzenden Daten zur weiteren Aufklärung beitragen werden. (Geophysical Research Letters, 2022; doi: 10.1029/2022GL099881)

Quelle: NASA

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