Wie der Sonnenwind die Atmosphäre des Mars abtrug

Ein Planet, der einst wie die Erde aussah

Der Mars ist heute eine karge, strahlungsgepeitschte Welt mit einer Atmosphäre, die kaum 1 % so dicht ist wie die der Erde. Die Oberflächentemperaturen sinken nachts auf –80 °C, und flüssiges Wasser kann auf der Oberfläche nicht überleben. Doch uralte Flussbetten, Seebecken und Mineralvorkommen erzählen eine ganz andere Geschichte. Vor etwa vier Milliarden Jahren war der Mars wärmer und feuchter – ein Planet, der möglicherweise die Voraussetzungen für Leben bot. Was ist passiert? Die kurze Antwort weht von der Sonne herüber, mit mehr als einer Million Meilen pro Stunde.

Was ist der Sonnenwind?

Der Sonnenwind ist ein kontinuierlicher Strom geladener Teilchen – hauptsächlich Protonen und Elektronen –, den die Sonne aus ihrer äußeren Atmosphäre, der Korona, in das Sonnensystem ausstößt. Diese Teilchen bewegen sich mit Geschwindigkeiten zwischen 400 und 900 km/s und tragen Fragmente des Magnetfelds der Sonne mit sich. Wenn der Sonnenwind einen Planeten erreicht, hängt das, was als Nächstes geschieht, fast ausschließlich von einer Sache ab: ob dieser Planet ein eigenes globales Magnetfeld hat.

Die Erde ist durch eine starke Magnetosphäre geschützt, die von ihrem geschmolzenen, rotierenden Eisenkern erzeugt wird. Dieser unsichtbare Schild lenkt den größten Teil des Sonnenwinds um den Planeten herum und leitet geladene Teilchen sicher zu den Polen – wo sie die Nord- und Südlichter erzeugen. Ohne diesen Schild würde unsere Atmosphäre langsam in den Weltraum erodiert. Der Mars hat diesen Schutz vor langer Zeit auf katastrophale Weise verloren.

Wie der Mars seinen Magnetschild verlor

Wissenschaftler glauben, dass der Mars einst ein aktives Magnetfeld hatte, das von einem Dynamo in seinem metallischen Kern erzeugt wurde, ähnlich wie auf der Erde. Aber der Mars hat etwa den halben Durchmesser und ein Zehntel der Masse der Erde, was bedeutet, dass sein Inneres viel schneller abkühlte. Vor 3,7 bis 4,2 Milliarden Jahren schaltete sich dieser interne Dynamo ab. Das globale Magnetfeld brach zusammen, und der Mars war nackt vor dem Sonnenwind.

Forschungen, die in der Harvard Gazette veröffentlicht und durch Daten von Marsmeteoriten unterstützt wurden, haben dazu beigetragen, diesen Zeitrahmen einzugrenzen. Einige Regionen der Marskruste tragen noch immer fossile magnetische Signaturen – Überreste des alten Feldes, die in Gestein gefroren sind, bevor der Dynamo starb. Diese Krustenanomalien gehören zu den stärksten Beweisen dafür, dass der Mars einst eine schützende Magnetosphäre hatte, die mit der der Erde vergleichbar ist.

Wie der Sonnenwind eine Atmosphäre erodiert

Ohne einen Magnetschild interagiert der Sonnenwind direkt mit der oberen Atmosphäre des Mars. Zwei Hauptprozesse treiben den Atmosphärenverlust an:

• Ionenaufnahme: Das im Sonnenwind eingebettete Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld, wenn es am Mars vorbeizieht. Dieses Feld beschleunigt elektrisch geladene Atome und Moleküle in der oberen Atmosphäre – sogenannte Ionen – und schleudert sie mit enormer Geschwindigkeit in den Weltraum.
• Sputtern: Hochenergetische Sonnenwindteilchen prallen auf die Marsatmosphäre und stoßen Gasmoleküle physisch los, ähnlich wie Billardkugeln, die über einen Tisch rollen.

Diese Prozesse mögen langsam erscheinen, aber über geologische Zeiträume hinweg sind sie verheerend. Die NASA schätzt, dass der Sonnenwind derzeit etwa 100 Gramm Marsatmosphäre pro Sekunde abträgt – und während Sonnenstürmen steigt diese Rate dramatisch an. Multipliziert man dies über Milliarden von Jahren, ist der kumulative Verlust erstaunlich.

Was die MAVEN-Mission der NASA enthüllte

Das klarste Bild dieses Prozesses stammt von MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN), einem NASA-Raumschiff, das seit 2014 den Mars umkreist. MAVEN wurde speziell entwickelt, um die obere Atmosphäre zu untersuchen und zu messen, wie schnell sie in den Weltraum verloren geht.

Ihre Ergebnisse, die von der NASA berichtet und von der Planetary Society detailliert beschrieben wurden, waren frappierend. MAVEN bestätigte, dass der Sonnenwindabtrag der dominierende Mechanismus für den Atmosphärenverlust des Mars ist. Das Raumschiff maß, dass etwa 65 % des gesamten Argons, das einst in der Marsatmosphäre vorhanden war, bereits in den Weltraum verloren gegangen sind. Argon ist chemisch inert, daher ist sein Verlust ein reiner Marker für physikalische Flucht – unbeeinflusst von chemischen Reaktionen.

MAVEN kartierte auch, wo das Gas entweicht. Etwa 75 % strömen durch den Magnetotail des Planeten – die Region direkt hinter dem Mars, abgewandt von der Sonne –, während etwa 25 % durch polare Fahnen entweichen. Ein diffuser Halo aus entweichendem Gas umgibt den gesamten Planeten.

Eine dramatische MAVEN-Beobachtung erfolgte, als der Sonnenwind während einer ungewöhnlichen Flaute der Sonnenaktivität vorübergehend verschwand. Die dünne Atmosphäre des Mars dehnte sich ohne den Druck des Windes sichtbar nach außen aus. Als der Sonnenwind zurückkehrte, wurde der Atmosphärenverlust wieder aufgenommen. Das Experiment lieferte eine anschauliche Echtzeitdemonstration des Mechanismus.

Was dies für den Mars – und für das Leben – bedeutet

Als sich die Atmosphäre über Milliarden von Jahren verdünnte, schwächte sich der Treibhauseffekt des Mars ab, die Temperaturen sanken und flüssiges Wasser konnte nicht mehr auf der Oberfläche verbleiben. Die Ozeane und Flüsse des Planeten froren langsam ein oder verdampften in den Weltraum. Vor etwa 3,5 Milliarden Jahren hatte sich der Mars von einer potenziell bewohnbaren Welt in die kalte Wüste verwandelt, die Wissenschaftler heute beobachten.

Diese Geschichte hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Suche nach Leben. Wenn jemals Leben auf dem Mars entstanden ist, geschah dies höchstwahrscheinlich in den ersten Milliarden Jahren des Planeten, bevor die Atmosphäre zusammenbrach. In einem in The Conversation veröffentlichten Artikel wird darauf hingewiesen, dass jedes überlebende Leben heute unterirdisch geschützt sein müsste, sowohl vor der Kälte als auch vor der intensiven ultravioletten Strahlung, die nun ungehindert die Oberfläche durchdringt.

Warum dies über den Mars hinaus von Bedeutung ist

Die Geschichte des Mars ist auch eine mahnende Geschichte darüber, was einen Planeten bewohnbar macht. Das Magnetfeld der Erde – das von ihrem noch aktiven Kern aufrechterhalten wird – ist kein dauerhaftes Merkmal. Es hat sich in der Erdgeschichte viele Male abgeschwächt und sogar die Polarität umgekehrt. Wissenschaftler untersuchen diese Umkehrungen sorgfältig, da eine geschwächte Magnetosphäre, selbst vorübergehend, die Erdatmosphäre einer stärkeren Sonnenwinderosion aussetzen könnte.

Das Verständnis der Mechanismen, die den Mars entblößt haben, hilft Planetenforschern, herauszufinden, welche Exoplaneten – Welten, die andere Sterne umkreisen – am wahrscheinlichsten Atmosphären behalten, die dick genug sind, um Leben zu ermöglichen. Die Größe eines Planeten, seine innere Wärme und seine Entfernung von seinem Stern fließen alle in diese Berechnung ein. Der Mars war einfach zu klein, um lange genug geologisch aktiv zu bleiben, um seinen Schild aufrechtzuerhalten.