Mars - Atmosphäre löst sich in Luft auf

Wie hat der Rote Planet seine einst dichte Atmosphäre verloren? Dies zählt zu den spannendsten Fragen der Marsforschung. Als ein wichtiger Mechanismus kommt dabei die Erosion durch Ladungs- und Energieaustausch mit den Teilchen des Sonnenwinds in Frage; dieser solare Partikelstrom besteht hauptsächlich aus Protonen und Elektronen sowie aus Heliumkernen. Um das Rätsel zu lösen, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung Daten der europäischen Raumsonde Mars Express ausgewertet. Danach dringt der Sonnenwind tief in die Ionosphäre des Mars ein und "fegt" planetare Sauerstoff- Ionen ins Weltall.

Erosion in der Ionosphäre des Mars

Bildbeschreibung:
Erosion in der Ionosphäre des Mars: Planetare Ionen werden in der Region zwischen der Photoelektronengrenze (PEB) und der Grenze der induzierten Magnetosphäre (IMB) beschleunigt und stromabwärts transportiert.

Beim Mars gibt es im Gegensatz zur Erde wegen der geringen Dichte der Gashülle keinen scharfen übergang von der Region der neutralen Atmosphäre zur Ionosphäre. Meist wird der Bereich zwischen 100 und 500 Kilometer über der Marsoberfläche als Ionosphäre oder auch als "obere Atmosphäre" bezeichnet. Dass der Sonnenwind so tief - nämlich bis zu 270 Kilometer - in die Atmosphäre eindringt, liegt am fehlenden Eigen-Magnetfeld des Planeten; früher erzeugte er dieses Magnetfeld - wie aktuell die Erde - durch Dynamoeffekte in seinem Inneren. Heute besitzt der Mars nur noch ein schwaches Magnetfeld, das im Wesentlichen von geladenen Teilchen aus dem Weltraum induziert wird.

"Das fehlende eigene Magnetfeld hat zur Folge, dass der energiereiche Sonnenwind fast ungehindert auf die Marsatmosphäre einwirken kann und auf diese Weise möglicherweise auch für ihren Verlust gesorgt hat", erklären Joachim Woch und Markus Fränz vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Auf der Erde hingegen schützt das Magnetfeld die Atmosphäre, indem es elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwinds abfängt und sie um den Globus leitet.

Die neuen Daten vom Roten Planeten wurden nun mit dem Teilchendetektor ASPERA (Analyzer of Space Plasma and Energetic Atoms) an Bord von Mars Express gewonnen. Mit diesen Messungen untersuchen die Wissenschaftler die Wechselwirkungen zwischen dem Sonnenwind und der tagseitigen Ionosphäre des Mars; zudem bestimmen sie Menge und Masse der Ionen sowie die Energie von Elektronen und Ionen in jener marsnahen Region, in der die Interaktion des Sonnenwinds mit der Marshülle abläuft.

Die Astrophysiker wissen bereits, dass unterhalb einer Grenze, der so genannten induzierten Magnetosphärengrenze (IMB), in einer Höhe von 650 bis 1200 Kilometern über der Marsoberfläche planetare Ionen - vor allem Wasserstoff und Sauerstoff - das Plasma dominieren. Unterhalb der Photoelektronengrenze (PEB), in einer Höhe zwischen 250 und 500 Kilometern, befinden sich hauptsächlich ionosphärische Elektronen, die durch die UVStrahlung der Sonne entstehen.

Mit den ASPERA-Daten haben die Wissenschaftler jetzt nachweisen können, dass der Sonnenwind sehr tief in die Atmosphäre des Mars gelangt. "Die Sonnenwind-Ionen dringen bis in eine Höhe von 270 Kilometern in die Ionosphäre vor und verursachen dort einen Abfluss planetarer Sauerstoff- Ionen", sagt Markus Fränz. Damit hat der Sonnenwind einen weit effektiveren Einfluss auf die Marsatmosphäre als bisher angenommen: "Unsere Auswertungen zeigen, dass das induzierte Magnetfeld des Mars für einen Teil des Sonnenwinds durchlässig ist."

Damit erscheint die Region zwischen den beiden Grenzen, der IMB und der PEB, von besonderer Wichtigkeit, um die Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und planetarem Plasma besser zu verstehen. Aus der Datenanalyse erhoffen sich die Wissenschaftler genauere Informationen auch darüber, auf welche Weise der Planet in den vergangenen vier Milliarden Jahren seine vermuteten Ur-Ozeane verloren hat.