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Wie die Sonne Wasser vom Mars 'pumpt'

Moscow Institute of Physics and Technology

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IMAGE: Konzentration des Wasserdampfes in der Atmosphäre in Abhängigkeit von der Sonnenlänge, Höhe über der Oberfläche und geographischer Breite. Mit blau sind die absteigenden und mit rot die aufsteigenden Ströme markiert.... view more 

Credit: Dmitry S. Shaposhnikov et al./Geophysical Research Letters

Physiker aus Russland und Deutschland haben eine Erklärung für neue Daten der Marssatelliten angeboten, die die „Flucht" von Wasserstoffatomen aus den oberen Luftschichten in den Weltraum registrierten. Das entwickelte Modell stimmt mit den Beobachtungen überein und erlaubt eine Reihe unklarer Erscheinungen in der Marsatmosphäre zu erklären. Die Studie wurde in der Zeitschrift Geophysical Research Letters veröffentlicht.

Die Marsatmosphäre ist kalt und dünn, wodurch sie an die Erdatmosphäre in großer Höhe erinnert. Unter solchen Bedingungen befindet sich das Wasser nicht im flüssigen Zustand, sondern bildet Wolken, die aus kleinen Eiskristallen bestehen. Auf der Erde entstehen derartige Wolken in 6 km Höhe von der Oberfläche entfernt und werden Federwolken genannt. Da diese Kristalle relativ schwer sind, befindet sich der größte Teil der Wassermasse in der unteren Luftschicht, die etwa 60 km Dick ist. Aber die Daten des amerikanischen Satelliten MAVEN ( vom Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN -- „Evolution der Atmosphäre und flüchtiger Stoffe auf dem Mars" ) und des Weltraumteleskops „Hubble" weisen auf einen regelmäßigen Abfluss von Wasserstoffatomen hin, die den Planeten verlassen. Deren einzige Quelle kann nur Wasser sein, das in den oberen Luftschichten (70-80 km von der Oberfläche entfernt) unter Einwirkung von UV in Sauerstoff und Wasserstoff zerfällt.

Wissenschaftler haben versucht zu erklären, wie das Wasser in diese scheinbar unerreichbare Höhe gelangt.

Gemäß den Beobachtungen nimmt die Anzahl der Wasserstoffatome, die in den Weltraum „flüchten", während der Sommersonnenwende auf der Südhalbkugel und bei Staubstürmen zu. Wobei die Schwankungen der Wasserkonzentration in den oberen und unteren Luftschichten gleichzeitig erfolgen. Daher haben die Physiker eine Hypothese formuliert, die besagt, dass es eine gewisse „Pumpe" gibt, die das Wasser nach oben „pumpt" und haben mit Hilfe einer numerischen Modellierung deren Natur erklärt.

Als Grundlage diente das im Max Planck Institut (Göttingen, Deutschland) entwickelte Modell der allgemeinen Zirkulation der Marsatmosphäre (Martian general circulation model, MPI-MGCM). Im Modell wird in Details die Übertragung des Wassers von der Oberfläche in die Thermosphäre (Luftschicht, in der die Temperatur mit aufsteigender Höhe sinkt) beschrieben und der Einfluss der Staubstürme berücksichtigt. Zuvor haben die Wissenschaftler des Moskauer Instituts für Physik und Technologie (MFTI) und deren Coautoren aus Deutschland und Japan ein Modell präsentiert, dass die Verteilung von Wasserdampf und Eis in der Marsatmosphäre während eines Jahres beschreibt. Dieses Modell ist auch ein Teil der allgemeinen Beschreibung der ablaufenden Prozesse geworden. Im Unterschied zu den vorigen Studien wurde bei der neuen Modellierung der Photodissoziationsprozess des Wassers berücksichtigt.

Auf den Flügeln des Windes

Da die in der Marsatmosphäre verlaufenden Prozesse einen ausgeprägten saisonalen Charakter haben, ist es häufig notwendig, den Zeitraum anzugeben, in dem das eine oder andere Ereignis stattfindet. Auf der Erde hätten man einfach das Datum genannt, z.B. 20. März, Frühlings-Tag-und-Nachtgleiche. Aber obwohl für den Mars ein eigener Kalender entwickelt wurde (Darischer Kalender), der aus 24 Monaten jeweils 27-28 Tage im Monat besteht, ist er nicht so praktisch. Wenn man „zwanzigster Tag des Fisch-Monats" hört, ist es nicht so einfach zu verstehen, um welche Jahreszeit, auf welcher Halbkugel es sich handelt. In der Praxis ist es viel einfacher stattdessen das Datum eines Bahnpunkts anzugeben, bei dem sich der Planet zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Dazu wird die Sonnenlänge verwendet (Abb. 1)

Die Modellierung hat gezeigt, dass sich die Wasserkonzentration in der Atmosphäre innerhalb des Jahres stark verändert und den höchsten Wert bei einer Sonnenlänge von 200° bis 300° während des Durchganges des Planeten durch das Perihelium, der der Sonne am nächsten liegende Bahnpunkt, erreicht (Abb. 2).

„Die Wasserdampfströme sind maximal bei Ls=260°, was dem südlichen Sommer entspricht, bei dem die durchschnittliche Temperatur auf dem Planeten ebenfalls maximal ist. Im Zeitraum von Ls=220° bis 300° sublimiert Eis auf der Marsoberfläche intensiv in den Südbreiten, wobei sich das gebildete Wasser unterhalb 40 km Höhe in Form von Wasserdampf befindet, und oberhalb 40 km Höhe Eiswolken gebildet werden",-- erzählte Dmitri Schaposchnikov, Hauptautor der Publikation, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Labors für angewandte Infrarotspektroskopie des Moskauer Instituts für Physik und Technologie (MFTI).

Jahreszeitenwinde, die entlang der Meridianen wehen, übertragen Wärme und Feuchtigkeit von der „Sommerhalbkugel" auf die „Winterhalbkugel". Die Verteilung der Ströme in einer Höhe von über 120 km weist darauf hin, dass in den unteren und benachbarten mittleren Breiten andere Winde existieren, aber deren Beitrag zum Gesamtanteil ist nicht sehr groß.

Der hauptsächliche Anteil der Wassermasse befindet sich in den unteren Luftschichten, unterhalb 30 km Höhe. Berechnungen haben jedoch gezeigt, dass das Wasser in die oberen Luftschichten eindringen kann, wenn es in einen kleinen aufsteigenden Strom von Wasserdampf gelangt, der sich zwischen 20° und 70° der südlichen Breite befindet und nur im Perihelium-Zeitraum als eine Art von „Flaschenhals" vorhanden ist. (Abb. 2c). Falls es dem Wasser gelingt, diesen zu überwinden, treiben es die Jahreszeitwinde nach Norden, zum Pol. Auf dem Weg dorthin zerfällt ein Teil des H2O unter Einwirkung von UV in Wasserstoff und Sauerstoff, die Hauptmasse steigt jedoch mit der sich abkühlenden Luft wieder in die unteren Luftschichten ab und kondensiert in der Region um den Nordpol. So entsteht die nördliche Polkappe des Mars (die südliche Polkappe ist wesentlich kleiner).

Staub und Nebel

Die Staubstürme, die sich manchmal auf dem ganzen Planeten ausbreiten, haben natürlich einen Einfluss auf den Wasserkreislauf mit relativ schwerwiegenden Folgen. Erstens wird die verschmutzte Luft stärker erwärmt, was die Kondensation von Wasser behindert. Zweitens bilden sich auf den Staubteilchen leichter Eiskristalle (Staub dient als Keim der neuen Phase), was zu vermehrter Wolkenbildung führt. Drittens beeinflussen die Stürme die Zirkulation der Luftströme entlang der Meridiane.

Zur Erforschung des Einflusses heftiger Stürme wurden Parameter des globalen Staubsturms während des Perihelium-Zeitraums im 28. Marsjahr verwendet (die Zeit wird seit dem 11. April 1955 gezählt), was dem Jahr 2006-2007 auf der Erde entspricht. Die Modellierung hat gezeigt, dass die Temperatur dabei auf 20? ? am Südpol und auf mehr als auf 45?? am Nordpol gestiegen war. Die Winde, die von einem zum anderen Pol wehen, wurden ebenfalls stärker.

Dmitri Schaposchnikov erklärt: „Eine intensivere Erhitzung der Luftschicht im Norden ist damit verbunden, dass der vom Süden kommende Luftstrom abkühlt, intensiv auf die Oberfläche des Planeten stürzt und dabei die Energie an diesen weitergibt, die sich so in Wärmeenergie umwandelt (s. Abb. 3). Unsere Berechnungen haben gezeigt, dass der Temperaturanstieg während des Staubsturms zu einer Erhöhung der Konzentration des Wasserdampfes und der Intensität der Zirkulation der Luftströme führt".

Wegen des erhöhten Wassergehalts ändert sich die Dicke der Hydrosphäre von 60 auf 70 km. Die Eiswolken werden dabei dichter und befinden sich weiter oben. Wegen der zunehmenden Anzahl von Staubteilchen wird in der Luft eine große Menge von kleinen Eiskristallen gebildet, die langsamer als große Eiskristalle absinken. Deswegen befinden sich die Eiswolken bei Sturm weiter oben und enthalten mehr Feuchtigkeit. So hilft der erhöhte Staubgehalt in der Luft dem Wasser den „Flaschenhals" zu überwinden und in die oberen Luftschichten zu gelangen.

Ist die Sonne die Herrscherin über die Flut?

Auf der Erde ist der Mond für Ebbe und Flut verantwortlich. Die Marsmonde -- Phobos und Deimos -- sind zu klein, um einen wesentlichen Einfluss auszuüben. Die Sonne hat den größten Einfluss auf den Planeten und ihre Anziehungskraft hat auch eine Wirkung auf die Wasserdämpfe. Dadurch entsteht am Tag „Ebbe" -- es bildet sich ein aufsteigender Wasserdampfstrom und am Abend bildet sich ein absteigender Strom, die „Flut" (Abb. 4).

„Die Sonne funktioniert wie eine Pumpe, die am Tag „eingeschaltet wird" und dem Wasser hilft, die 60 km Höhe über der Oberfläche zu überwinden. Bei einem Staubsturm ist die Feuchtigkeitskonzentration in der Luft und die Geschwindigkeit der Luftströme höher, deshalb ist die „Pumpe" fähig das Wasser auf eine große Höhe zu befördern", - erklärt Dmitri Schaposchnikov.

Die Theorie ist trocken, mein Freund...

Um die Anwendbarkeit des Modells zu prüfen, haben die Autoren die errechneten Ergebnisse mit den Daten des Marserkundungssatelliten (Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) für das 28. Marsjahr verglichen. Modellierung und Messung haben eine Erhöhung der Wasserkonzentration in der Atmosphäre im Perihelium-Zeitraum gezeigt (Abb. 5). Leider sind die MRO-Messungen während des globalen Staubsturms und in einer Höhe von mehr als 80 km misslungen. Aber Messungen in der für dieses Gerät maximalen Höhe, etwa 70-80 km, waren die gemessenen und berechneten Werte der Konzentration des Wasserdampfes vergleichbar und betrugen 70÷80 cm3/m3.

Die Ergebnisse der Nachtmessungen direkt vor Beginn des globalen Sturmes (Ls = 200°÷250°) in 40-50 km Höhe entsprechen den Ergebnissen der Modellierung und zeigen eine Erhöhung der Wasserkonzentration im absteigenden Wasserdampfstrom. Es ist zu erwähnen, dass gemäß den MRO-Daten eine maximale Wasserkonzentration in 40-50 km Höhe erreicht wird, das Modell setzt aber eine Abnahme der Konzentration mit zunehmender Höhe voraus. Möglicherweise ist dies die Folge der Verteilung der Staubteilchen nach Größe, die im Modell vorgegeben ist und die sich von der realen Größe unterscheidet. Das Modell sagt auch eine rasche Verminderung des Wassergehaltes in der Atmosphäre nach Ls = 330° voraus, was die Versuchsdaten nicht bestätigt haben.

Jedoch ist die Wasserkonzentration in Abhängigkeit der Jahreszeit in Versuch und Berechnung relativ ähnlich (s. Abb. 5). Beide weisen auf das Vorhandensein eines „Flaschenhalses" im Wasserkreislauf auf dem Mars, den das Wasser nur in einem bestimmten Perihelium-Zeitraum überwinden kann. Die Wahrscheinlichkeit des Durchganges steigt, wenn der Perihelium-Zeitraum mit einem Staubsturm zusammenfällt.

„Das neue Modell entspricht den Beobachtungen, erlaubt eine Reihe von Erscheinungen in der Marsatmosphäre zu erklären (Vorhandensein von Wasserdämpfen in über 80 km Höhe, Jahreszeitschwankungen, Einfluss der Staubstürme, Einfluss der Sonnenfluten) und kann zur Prüfung neuer Hypothesen verwendet werden." -- sagte Alexander Rodin, einer der Coautoren der Studie, Leiter des Labors für angewandte Infrarotspektroskopie des Moskauer Instituts für Physik und Technologie (MFTI) und fügte hinzu -- „Wir erwarten mit Ungeduld die Daten des russischen spektrometrischen Komplexes ACS des internationalen Projekts „ExoMars", dessen Möglichkeiten viel größer sind als die der MRO-Geräte, deren Daten uns als Grundlage gedient haben. Außerdem zeigt die Studie, wie wichtig die in den Polarregionen des Planeten lokalisierten Prozesse für das globale Klima sein können. Dies betrifft übrigens auch unsere Erde."

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Alle Modelldaten sind auf der Website https://mars.mipt.ru/ online verfügbar.

Diese Studie wurde von der Russische Wissenschaftsstiftung unterstützte.

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