Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mars – der blau-rote Planet

09.03.2015

Der Himmelskörper war einst zu mindestens 20 Prozent von Wasser bedeckt

Vor 4,5 Milliarden Jahren war der Mars ein wasserreicher Planet. Spuren in Gestein und Sand legen nahe, dass dort etwa 23 Millionen Kubikkilometer Wasser flossen. In einer aktuellen Veröffentlichung im Fachmagazin Science kommt ein Team unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zu einem leicht abweichenden Ergebnis von mindestens 20 Millionen Kubikkilometern. Das heißt, dass etwa 20 Prozent der Marsoberfläche von Wasser bedeckt waren. Die unterschiedlichen Ergebnisse widersprechen sich nicht zwingend. Sie lassen darauf schließen, dass noch heute verborgene Wasserreserven tief im Boden schlummern.


Planet der Meere: So könnte Mars vor 4,5 Milliarden Jahren ausgesehen haben. Mindestens 20 Prozent seiner Oberfläche waren von Wasser bedeckt.

© NASA/GSFC

Wasser ist auf dem Mars eher eine Seltenheit. Nur an den markanten Polkappen des Roten Planeten tritt es in größeren Mengen auf. Wie viel gefrorenes Wasser im Boden der wüstenartigen Landschaften geringerer geografischer Breite vorkommt, ist unklar. Viel dürfte es nicht sein. Vor 4,5 Milliarden Jahren muss unser kosmischer Nachbar jedoch einen völlig anderen Anblick geboten haben. Geologische Untersuchungen belegen, dass dort einst gewaltige Ströme flossen. Doch wie viel Wasser war das genau?

Forscher um Geronimo L. Villaneuva vom NASA Goddard Space Flight Center der amerikanischen Weltraumbehörde setzen für ihre urzeitliche Wasser-Bestandsaufnahme nun auf eine ungewöhnlich anmutende Methode: Statt wie viele Kollegen im Boden des Mars nach Hinweisen zu suchen, blicken sie in dessen Atmosphäre. Diese enthält zwar weniger als ein Prozent Wasserdampf, doch die genaue Zusammensetzung dieses atmosphärischen Wassers ist aufschlussreich.

„Wir können daraus rekonstruieren, wie sich der Wasserhaushalt des Planeten im Laufe der Jahrmillionen entwickelte und wie viel Wasser ins All entweichen konnte“, sagt Paul Hartogh vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Koautor der Studie. Durch den Einfluss der Sonnenstrahlung zerfällt das Wasser in der oberen Atmosphäre in seine einzelnen, leichteren Bausteine – die dann zum Teil das Schwerefeld des Planeten verlassen können.

Doch Wasser ist nicht gleich Wasser. Neben dem „normalen“ Wasser, das aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom aufgebaut ist, gibt es weitere Spielarten, etwa das sogenannte halbschwere Wasser. Darin ist ein Wasserstoffatom durch das schwerere Isotop Deuterium ersetzt, das im Atomkern ein weiteres Neutron enthält.

„Gefrorenes halbschweres Wasser geht erst bei einer etwas höheren Temperatur als normales Wasser in den gasförmigen Zustand über“, erklärt Hartogh. Wenn sich in den kühlen Permafrostregionen des Mars im Frühjahr der Boden erwärmt, verdampft somit bevorzugt normales Wasser. Im Boden bleibt Eis mit einem erhöhten Deuteriumanteil zurück.

Im Herbst hingegen kondensiert zunächst das halbschwere Wasser aus der Atmosphäre. „Auf diese Weise reichert sich innerhalb eines Jahreszyklus Deuterium am Boden an“, sagt Hartogh. Da zudem normaler Wasserstoff bevorzugt aus der Atmosphäre des Planeten entweicht, wird das gesamte Wasserreservoir des Mars im Laufe der Zeit immer reicher an Deuterium.

Um das Verhältnis von halbschwerem zu normalem Wasserdampf in der Atmosphäre des Mars genau zu verstehen, bestimmten die Forscher nicht wie sonst üblich einen globalen Mittelwert, sondern schauten sich den Planeten Stück für Stück an. Sie erhielten so erstmals eine zweidimensionale Karte des Verhältnisses beider Stoffe mit einer räumlichen Auflösung von nur 500 Kilometern. Schlüssel zu dieser Wasserkarte waren nicht nur leistungsfähige Teleskope, welche die typischen Fingerabdrücke von halbschwerem und normalem Wasser in der Infrarotstrahlung des Mars entdecken konnten, sondern vor allem sorgfältig gewählte Beobachtungszeitpunkte.

Die Schwierigkeit: Auch die irdische Atmosphäre enthält Wasserdampf. Um die Infrarotstrahlung des irdischen Wassers von jener des Mars-Wassers zu trennen, blickten die Forscher am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile, dem W.-M.-Keck-Observatorium sowie der NASA Infrared Telescope Facility auf dem Berg Mauna Kea auf Hawaii nur dann in Richtung Mars, wenn dieser der Erde besonders nahe war.

„Die Erde zieht ihre Kreise um die Sonne deutlich schneller als der Mars“, sagt Paul Hartogh. Gelegentlich überrundet sie ihn und holt ihn auf der Innenbahn von hinten kommend ein. „In dieser Situation ist der relative Geschwindigkeitsunterschied zwischen beiden Planeten in Beobachtungsrichtung am größten“, so der Wissenschaftler. Die Wellenlängen der Strahlung, die vom Mars-Wasser rührt, sind dann gegenüber denen des irdischen besonders stark verschoben. Dieser sogenannte Dopplereffekt ist auch bei vorbei sausenden Krankenwagen zu beobachten. Die Frequenz des Martinshorns ist gegenüber dem eines stehenden Krankenwagens verändert.

Dabei war die Analyse, die von März 2008 bis Januar 2014 währte, auch eine Geduldsprobe. Nur etwa alle zwei Jahre ergeben sich für einige Monate die notwendigen Beobachtungsbedingungen. Dabei konnten die Forscher verschiedene Jahreszeiten auf dem Roten Planeten miterleben: vom späten Winter bis zum Frühling auf der Nordhalbkugel. „Unsere Karten zeigen starke räumliche und jahreszeitliche Schwankungen“, sagt Hartogh. So kann das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff stellenweise dem des irdischen Wassers ähneln, andernorts ergeben sich bis zu neunmal so hohe Werte.

Besonders interessant sind für die Forscher die Regionen in Äquatornähe und solche niedriger geografischer Breite, in denen es im Sommer recht warm wird. So warm, dass alles gefrorene Wasser aus dem Boden verdampft – sowohl das normale, als auch das halbschwere. Dort kommen in der Atmosphäre auf jedes Molekül halbschweren Wassers etwa 900 Moleküle normalen Wassers. Auf der Erde sind es etwa siebenmal so viele.

„Das Eis in den Polkappen hingegen verdampft nie vollständig. Im Verlauf eines Jahres reichert sich dort deshalb Deuterium an“, sagt Max-Planck-Forscher Hartogh. Das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff muss deshalb über dem Wert von 1:900 liegen; Modellrechnungen ergeben einen Wert von etwa 1:800.

Um zu bestimmen, wie viel Wasser der Mars im Laufe seiner Evolution verloren hat, ist dies die entscheidende Unbekannte. Sie beschreibt den aktuellen Zustand des derzeit größten Wasserreservoirs, der Polkappen. Direkte Messwerte von dort gibt es nicht; alle bisherigen Landemissionen haben deutlich niedrigere geografische Breiten angesteuert.

Den urzeitlichen Vergleichswert entnahmen die Wissenschaftler Messungen an Mars-Meteoriten, die sich bereits vor Milliarden von Jahren von ihrem Mutterplaneten lösten und auf die Erde stürzten. In ihrem Wasser sind die ursprünglichen Verhältnisse auf dem Roten Planeten konserviert.

„Unseren Berechnungen zufolge war der Mars vor 4,5 Milliarden Jahren zu mindestens 20 Prozent von Wasser bedeckt“, so Hartogh. Spuren, die dieses Wasser in der Oberflächengeologie des Planeten hinterlassen hat, deuten auf eine ähnliche, etwas größere urzeitliche Wasserbedeckung: „Diese Diskrepanz könnte bedeuten, dass die derzeitige Inventurliste des Mars-Wassers noch nicht vollständig ist.“

Möglicherweise versteckt sich das fehlende Wasser tief unter der Oberfläche des Planeten. Dort stünde es in keinerlei Wechselbeziehung mit der Atmosphäre und wäre somit auch in der vorliegenden atmosphärischen Betrachtung nicht enthalten.


Ansprechpartner

Dr. Birgit Krummheuer
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen
Telefon: +49 551 384979-462

E-Mail:krummheuer@mps.mpg.de


Dr. Paul Hartogh
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen
Telefon: +49 551 384979-342

E-Mail: Hartogh@mps.mpg.de


Originalpublikation
G.L. Vilanueva et al.

Strong water isotopic anomalies in the Martian atmosphere: probing curent and ancient reservoirs

Science, online 5. März 2015

Dr. Birgit Krummheuer | Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics