Wie der Mars seine Atmosphäre verlor

Die ultraviolette Strahlung der Sonne und der Sonnenwind – ein permanenter Strom elektrisch geladener Teilchen – haben die ursprünglich dichte Kohlendioxidatmosphäre des Mars ins Weltall hinausgeblasen. Das zeigen Messungen der Häufigkeit von zwei Isotopen des Edelgases Argon in der heutigen dünnen Atmosphäre des Roten Planeten, die Forscher mit der Marssonde MAVEN durchgeführt haben. Ursprünglich sei die Marsatmosphäre ähnlich dicht wie die der Erde gewesen, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Science“.

„Das Abströmen von Gas ins Weltall war sicherlich der wichtigste Prozess, der den Mars mit seinem ursprünglich warmen und feuchten Klima in die heutige kalte, trockene Welt verwandelt hat“, erläutert Bruce Jakosky von der University of Colorado in Boulder. Die Raumsonde MAVEN umkreist seit November 2014 den Roten Planeten und durchquert auf ihrer elliptischen Umlaufbahn immer wieder die oberen Schichten der Marsatmosphäre. Dabei messen die 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 verschiedenen 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 Gehalts an Argon in der Atmosphäre kommt also ausschließlich ein Abströmen ins All als Ursache infrage.

Der entscheidende Prozess dabei: Die ultraviolette Strahlung der Sonne ionisiert zunächst die Atome des Gases. Anschließend reißen die geladenen Partikel des Sonnenwinds die Ionen mit ins All hinaus. Die neuen Messungen zeigen, dass der Mars auf diese Weise etwa zwei Drittel seines Argons ins Weltall verloren hat. Daraus konnten Jakosky und seine Kollegen die Effektivität des Prozesses ermitteln und anschließend auf andere Gase anwenden. Demnach besaß der Mars ursprünglich eine dichte Kohlendioxidatmosphäre 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 Kohlenstoffatmosphäre konnte über einen Treibhauseffekt 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 Messungen des heutigen Wasserverlusts durch Abströmen ins Weltall. Rechnet man diesen Verlust über die gesamte Geschichte des Roten Planeten hoch, schreiben 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.