Entdeckung: Wassereisfrost auf den Gipfeln der Marsvulkane

Von Frédéric Schmidt (Professor für Planetenoberflächengeologie, Universität Paris-Saclay) und Adomas Valantinas (Postdoctoral Fellow, Brown University)

Die Bildung von Wassereisfrost ist auf der Erde sehr häufig, insbesondere im Winter, aufgrund der Kondensation von Wasserdampf in der Atmosphäre. Auf dem Mars gibt es eine Atmosphäre, die etwa 100-mal weniger dicht ist als die der Erde und ebenfalls Wasserdampf enthält. Allerdings enthält die Marsatmosphäre 10.000-mal weniger Wasserdampf als die der Erde, sodass Frost weniger wahrscheinlich ist.


Heute sind die Wasseraustauschprozesse zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre auf dem Roten Planeten nicht gut verstanden. Die Bildung von Frost ist jedoch ein wichtiger Indikator, der nützlich ist, um den Wasserkreislauf zu verstehen, aber auch um wichtige Ressourcen für eine potenzielle zukünftige menschliche Erkundung zu identifizieren und das mögliche Vorhandensein von Lebensräumen einzuschränken. Wasser ist tatsächlich eine Ressource, die zum Leben notwendig ist, könnte aber auch als Raketentreibstoff verwendet werden.

Reise zu den Gipfeln der Marsvulkane

Unsere neue Studie, die heute in Nature Geoscience veröffentlicht wurde, berichtet von bedeutenden, kurzlebigen morgendlichen Frostablagerungen auf den Gipfeln der Vulkane in einer Region, die Tharsis genannt wird (das heißt die Vulkane Olympus, Arsia und Ascraeus Montes sowie Ceraunius Tholus), anhand von hochauflösenden Farbbildern der Sonde Exomars Trace Gas Orbiter (TGO) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Diese Entdeckung wurde durch unabhängige Beobachtungen der Sonde Mars Express der ESA und des NOMAD-Spektrometers an Bord von TGO bestätigt.

Darüber hinaus zeigen numerische Simulationen des Marsklimas, dass die Oberflächentemperaturen der Vulkane mit dem Vorhandensein von gefrorenem Wasser übereinstimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass die morgendlichen Frostablagerungen mit den kältesten Mars-Jahreszeiten korreliert sind. Auf dem Mars gibt es wie auf der Erde Jahreszeiten, aber mit viel niedrigeren Temperaturen, die auf den Marsgipfeln zwischen -130 °C und -30 °C liegen. Zudem erhalten die Äquatorvulkane rasch intensive Sonneneinstrahlung, was das schnelle Verschwinden des Frosts am Morgen erklärt.


Alles beginnt mit der Beobachtung heller und leicht bläulicher Zonen auf den Gipfeln der Marsvulkane durch die Kamera CaSSIS. Nach einer mehrmonatigen Untersuchung scheinen diese seltsamen hellen Zonen nur in den morgendlichen Beobachtungen und während der kalten Jahreszeiten auf dem Mars vorhanden zu sein. Die Kamera HRSC bestätigte diese Beobachtungen; es blieb, die Ursache dieses Phänomens zu finden.

Auf dem Mars gibt es zwei Arten von flüchtigen Verbindungen: Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂). Diese beiden Verbindungen können unter Marsbedingungen leicht zwischen Gas- und Festphase wechseln. Leider erscheinen sie in fester Form beide im sichtbaren Lichtbereich (auch für unsere Augen sichtbar) als weiß oder hell, wie dies auch durch das Instrument CaSSIS beobachtbar ist. Daher ist es schwierig, sie anhand eines einfachen Bildes zu unterscheiden. Es war notwendig, eine gründliche Untersuchung durchzuführen, um diese Objekte zu unterscheiden. Wir konnten zwei Hauptargumente aufstellen: eines basierend auf der Spektroskopie und das andere auf der numerischen Simulation des Mikroklimas der Marsvulkane.

Durch die Zerlegung der Farben oder Wellenlängen des Lichts, das von der Oberfläche stammt, ist es möglich, H₂O und CO₂ zu unterscheiden. Dies ist durch die Technik der Spektroskopie möglich, die das Instrument NOMAD bietet. Wir haben versucht, diese beiden Verbindungen unter extremen Bedingungen zu identifizieren, früh am Morgen mit wenig Sonneneinstrahlung. Da das Instrument optimiert ist, um die Sonne direkt zu beobachten, sind diese Beobachtungen schwierig und sehr rauschbehaftet. Die Ergebnisse zeigen keine CO₂-Signatur und eine mögliche Wassersignatur.

Wenn jedoch eine geringe CO₂-Dicke vorliegt, ist keine spektroskopische Signatur zu erwarten. Dieses Argument ist daher nicht endgültig. Die belgischen Teammitglieder führten dann eine numerische Simulation des Mikroklimas der Marsvulkane durch. Dabei handelt es sich um das gleiche Tool, das für Wettervorhersagen auf der Erde verwendet wird, hier jedoch an den Mars angepasst. Die Simulationen kommen zu dem Schluss, dass zum Zeitpunkt der Bildaufnahmen mit hellen Zonen die Bedingungen für die Wasser-Kondensation gegeben sind, nicht aber für CO₂. Diese beiden kombinierten Beweise unterstützen somit die Hypothese des Wassereisfrosts.

Eine dünne Frostschicht

Dank der Informationen der verschiedenen Instrumente konnten wir die Dicke dieser Frostschicht schätzen. Es handelt sich um eine sehr dünne Schicht von etwa 10 Mikrometern (ein Hundertstel Millimeter). Diese Frostmenge wird durch die Menge an in der Marsatmosphäre verfügbarem Wasserdampf bestimmt, die im Bereich des Mikron-präzipitabels liegt. Zum Vergleich: Auf der Erde liegt die Wassermenge im Bereich des Zentimeter-präzipitabels, also 10.000-mal mehr!

Da die Kondensation einige Stunden vor Sonnenaufgang beginnen muss, ermöglichte die atmosphärische Zirkulation die Ansammlung von Wasser aus der umgebenden Atmosphäre. Angesichts der mit Frost bedeckten Fläche beträgt die Gesamtwassermenge etwa 60 Olympische Schwimmbecken. Wenn es uns gelänge, dieses Wasser zu gewinnen, könnte es den Wasserbedarf der Astronauten über mehrere Jahre decken, aber auf planetarischer Ebene bleibt diese Menge auf dem Mars sehr gering. Die verfügbare Wassermenge auf dem Mars, die hauptsächlich in Form von Eis in den Polkappen vorkommt, wird auf 1.000 Milliarden Olympische Schwimmbecken geschätzt, während es auf der Erde etwa 100-mal mehr Wasser gibt als auf dem Mars.

Diese Entdeckung des Frosts auf den höchsten Gipfeln des Sonnensystems wird es uns ermöglichen, unser Verständnis des aktuellen Wasserkreislaufs auf dem Mars zu verfeinern. Auf diese Weise wird es möglich sein, die Witterung auf dem Mars besser vorherzusagen, mit Blick auf eine zukünftige Erkundung, aber auch das vergangene Klima des Mars und dessen Potenzial für Lebensräume besser zu verstehen.