Mars

Der rote Planet

Der Planet Mars ist von der Sonne aus betrachtet der vierte Planet und der erste ausserhalb der Erdbahn um die Sonne kreisende Planet. Unser Nachbar Mars ist im Durchmesser etwa halb so gross wie die Erde. Seine Oberfläche ist ungefähr gleich gross wie alle Landmassen der Erde zusammen. Die Erforschung des Mars hat immer wieder zu spannenden neuen Erkenntnissen geführt, so dass der rote Planet weit mehr ist als einfach nur eine tote Wüste.

Eine kalte Wüste

Mars ist ein Planet, den man als kalte Wüste bezeichnen kann. Die Temperaturen liegen fast immer weit unter Null. Die Bilder der Raumsonde zeigen gigantische erloschene Vulkane und tiefe Schluchten, sowie grosse Überschwemmungsgebiete und Flusstäler, die von einem mindesten 3 Milliarden Jahre zurückliegenden Zeitalter vulkanischer Aktivität und feuchtem Klima zeugen. Weite Gebiete sind aber wie bei unserem Mond mit Einschlagkratern bedeckt. Somit haben sich nicht alle Teile der Marsoberfläche seit der Entstehung des Mars wesentlich verändert.

Doch ist Mars nicht eine völlig erstarrte Welt, wie unser Mond. Es gibt auf Mars Jahreszeiten und ein Wetter. Manchmal schneit es sogar ein wenig, wie das Bild des Viking 2 Landers zeigt (Bild 1) und an den Polen gibt es ausgedehnte Schnee- oder Eisfelder.

Fakten

   Absolut Relativ zur Erde
Durchmesser 6800 Kilometer  54%
Masse 0.641910 1024 kg  11%
Sonnenlicht 485-705 W/m2 36% – 52%
Atmosphärendruck 2-10 Millibar  0.2% bis 1%
Distanz zur Erde 55 Mio. – 400 Mio. km Erde-Sonne 150 Mio. km.
Dauer eines Marstages 24 Stunden 38 Minuten 1.026 Tage
Umlaufzeit um Sonne  687 Tage  1.88 Jahre
Lufttemperatur -100 bis +10 Grad C -80 bis + 50 Grad C
Monde 2 (Phobos und Deimos)

Der am besten erforschte Planet

Bild 2: Marslandschaft in der Mündung von Ares Vallis. Im Hintergrund die ‚Twin Peaks‘ in 1 km Entfernung. Aufnahme des Mars Pathfinders 1997. (© NASA, JPL)

Abgesehen von der Erde ist der Mars wohl der am intensivsten erforschte Planet. Russen, Europäer und Amerikaner haben immer wieder versucht, Roboter zum Mars zu schicken. Die amerikanischen Versuche waren dabei mit Abstand die erfolgreichsten. Schon 1965 gelang es ihnen, mit der Raumsonde Mariner 4 an Mars vorbei zu fliegen. Die Sonde sendete 22 Funkbilder zurück, die viele Krater zeigten. Viele Menschen, welche an einen belebten Mars glaubten, waren deshalb enttäuscht. Es war wieder die NASA, die den ersten künstlichen Marsatelliten Mariner 9 in eine Umlaufbahn um den roten Planeten schoss und mit seiner Hilfe 1972 eine vollständige und detaillierte Karte des Mars erstellen konnte.

Bild 3: Raumsonde Mariner 9 (© NASA, JPL)

Ein Meilenstein waren schliesslich die beiden Viking Lander, die ab 1976 Bilder direkt von der Oberfläche des Mars zu uns zurück funkten, sowie die Viking Orbiter die den roten Planeten mit relativ hoher Auflösung kartierten. Nach Viking folgte eine Zeit der Rückschläge. Der russische Versuch auf dem Marsmond zu landen scheiterte. Ebenso war auch der amerikanische Marssatellit Mars Observer ein Fehlschlag. Erst 1996 wurden wieder erfolgreiche Raumsonden zum Mars geschickt. Wir haben noch alle die eindrücklichen Bilder von Mars Pathfinder und seinem Rover in Erinnerung (Bild 2). Der seit damals (1997) den Mars umkreisende Mars Global Surveyor liefert noch immer Bilder von der Marsoberfläche, die Details von wenigen Metern Grösse zeigen. Diese Bilder sorgen immer wieder für aufregende Entdeckungen auf einer Welt, die immer wieder neu fasziniert. Leider ist der Erfolg in der Marsforschung nicht garantiert. So ist nach den Fehlschlägen von Phobos, Mars 96 und Mars Orbiter erst vor kurzem der Mars Climate Orbiter und der Mars Polar Lander gescheitert.

Zwei gegensätzliche Hälften

Die Südhalbkugel unterscheidet sich geologisch stark von der Nordhalbkugel.Die Gebiete südlich des Marsäquators sind zumeist alte, stark verkraterte Hochländer und liegen 1-4 km über dem Normalniveau des Mars. Die nördlichen, meist tiefer liegenden Gebiete sind vulkanischen Ursprungs und mit 500 Millionen bis 3.5 Milliarden Jahre jünger als die südlichen Hochländer.

Beim Übergang der alten Hochländer in die nördlichen Tieflandebenen beobachtet man zahlreiche Flutkanäle mit gewaltigen Ausmassen. Sie sind einige dutzend Kilometer breit und ein paar hundert Kilometer lang. Wahrscheinlich ist es vor langer Zeit zu kurzlebigen katastrophalen Fluten gekommen, bei denen Unmengen von Gestein und Schlamm in die Tiefländer verfrachtet wurde. Im Mündungsgebiet des Flutkanals Ares Vallis ist am 4. Juli 1997 Mars Pathfinder gelandet (Bild 2) und hat mit seinem Rover ‚Sojourner‘ Gesteine und Staub aus verschiedendenen Liefergebieten untersucht.

Riesenvulkane

Bild 4: Der gigantische Schildvulkan Olympus Mons ist 27 km hoch und 600 km breit. Er ist der grösste Berg im Sonnensystem.(© NASA, JPL) Anklicken um grösseres Bild zu erhalten

Die vulkanischen Regionen Tharsis und Elysium sind gewaltige ‚Beulen‘ in der Marskruste. Tharsis erhebt sich 10 km hoch über das Normalniveau und ist mit 4’000 km Durchmesser fast doppelt so gross wie die Elysium Region. Die grössten Vulkane des Sonnensystems befindet sich dort. Der gigantische Schildvulkan Olympus Mons hat an seiner Basis 600 km Durchmesser und hebt sich 24’000 Meter über seine Umgebung. Sein Gipfel befindet sich 27’000 Meter über dem Normalniveau (Bild 4)! Weshalb konnten die Marsvulkane so gross werden? Auf dem Mars fehlen alle Anzeichen für Plattentektonik. D.h. die Marskruste bewegt sich gegenüber dem Mantel nicht. Magma von einem Hotspot aus dem Mantel gelangt somit immer an der gleichen Stelle an die Marsoberfläche und sammelt sich bei jedem Ausbruch an, so wächst der Vulkan in die Höhe. Auf der Erde bewegt sich die Lithosphärenplatte gegenüber dem Hotspot und es kommt zur Bildung von immer neuen Vulkanen wie z.B. die Inselkette von Hawai’i.

Auf dem Mars gibt es auch noch Vulkane die eher flach sind und von stark erodierten, geschichteten Ablagerungen umgeben sind wie z.B. Thyrrhena Patera. Planetologen vermuten, dass es sich dabei um Ascheschichten handelt, die bei explosiven Vulkanismus entstanden sind. Explosiver Vulkanismus entsteht wenn das Magma zähflüssig ist und bei seinem Aufstieg durch die Kruste mit flüssigem Wasser oder Eis in Kontakt kommt. Das Wasser wird vom Magma sehr stark erhitzt und dehnt sich dabei explosionsartig aus.

Vermutlich im Zusammenhang mit der Tharsis Region gebildet hat sich der riesige Canyon Valles Marineris. Mit 4000 km Länge, 600 km Breite und einer maximalen Tiefe von 7 km ist er grösser als jeder irdische Canyon.

Wasser auf dem Mars

Für die Antwort auf die Frage nach vergangenem oder noch heute auf Mars existierenden Leben ist die Suche nach Wasser – insbesondere nach flüssigem Wasser – von grosser Bedeutung.

Für die weit zurück liegende Vergangenheit ist die Frage nach flüssigem Wasser eindeutig mit Ja zu beantworten. Die Bilder aus der Umlaufbahn und vom Marsboden sprechen eine eindeutige Sprache.

Nebst ausgetrockneten Flussläufen und Flutebenen mit tropfenförmigen ‚Inseln‘ sind geschichtete Sedimente im Valles Marineris sowie seinen Nachbargräben häufig. Letztere können nur in stehenden Wasserkörpern abgelagert worden sein.

Heute gibt es sicher Wasser im Form von Eis, das einerseits in den Polkappen und andererseits als Permafrost im Marsboden zu finden ist. Nicht ganz geklärt ist jedoch, wieviel genau aus der feuchteren Vergangenheit bis in die Gegenwart überdauert hat. Für flüssiges Wasser sind die Bedingungen auf der heutigen Marsoberfläche sehr ungünstig. Nur selten liegen die Temperaturen über dem Gefrierpunkt. Ausserdem muss der Druck einer Atmosphäre mehr als 6 Millibar betragen, damit Wasser überhaupt als Flüssigkeit existieren kann. Bei geringerem Druck geht ein Eisklotz beim Erwärmen gleich in Dampf (bzw. Gas) über – er sublimiert.

Aus diesen Gründen nimmt man an, dass in niedrigen Breiten (bis ca. +/- 30 Grad um den Aequator) Wassereis im Boden bis zu einer Tiefe von etwa 100 m nicht existieren kann. Wegen den hohen Temperaturen und dem niedrigen Druck würde Eis sublimieren. Diese Annahme wird durch Beobachtungen von Impaktkratern gestuetzt. In äquatorialen Breiten haben sie scharfe Strukturen, wäehrend in höheren Breiten (>30-40 Grad) die Kanten weicher und gerundeter sind. Ausserdem zeigen letztere Auswurfsdecken die so aussehen, wie wenn man einen Stein in den Schlamm wirft. Die Beobachtungen in den höheren Breiten können am besten durch das Vorhandensein von Permafrost erklärt werden, der bei Meteoriteneinschlägen aufschmilzt.

Bild 6: Zustandsdiagramm für Wasser.(© Ph. Heck) Anklicken für eine grössere Version.

Wenn also irgendwo flüssiges Wasser an die Oberfläche kommt, müsste es an einer Stelle sein, die tief genug liegt, damit der Druck grösser als 6 Millibar ist. Sonst verdampft das Wasser bevor es die Oberfläche erreicht.

Hat es doch die Oberfläche als Flüssigkeit erreicht, so gefriert oder verdampft es ebenfalls sehr rasch. Ausserdem muss man beachten, dass selbst Eis verdunsten kann. Nur bei sehr strengem Frost ist dieser Effekt zu vernachlässigen. Am Tag in Äquatornähe wäre jedoch ein frei liegender Eiszapfen auf dem Mars nicht beständig. Jeden Tag würde ein keiner Teil sublimieren bis der Eiszapfen schliesslich verschwunden wäre.

Salze, die im Wasser gelöst sind, erniedrigen jedoch den Gefrierpunkt und erhöhen gleichzeitig den Siedepunkt des Wassers (nach dem Gesetz von François Marie Raoult). So kann zum Beispiel auf der Erde salziges Meerwasser der Antarktis Minustemperaturen erreichen und dennoch flüssig bleiben. Die Aussichten für salines flüssiges Wasser auf dem Mars bei tiefen Temperaturen und niedrigem Druck sind deshalb besser als für reines Wasser.

Flüssiges Wasser und Leben – Marserforschung bleibt spannend

Bild 7: Die zahlreichen Rinnen am Rand des Kraters 12-km-Meteoritenkraters Gorgonum lassen mehrere Aussickerungsereignisse vermnuten. Bildmosaik des Mars Global Surveyors. (© NASA, JPL)

Anhand der Bilder des Marssatelliten „Mars Global Surveyor“ hat man nun Stellen gefunden, wo vor geologisch kurzer Zeit – d.h. vor wenigen bis ein paar Millionen Jahren – mit grosser Wahrscheinlichkeit flüssiges Wasser an die Oberfläche trat (Bilder 7 und 8). Dies zeigt sich anhand von Rinnen (eng. ‚gullies‘) an der polzugewandten Seite von einigen Einschlagskratern, zwei Marstälern (Nirgal und Dao Vallis) und Senken in Südpolargebieten. Insgesamt wurden auf mehr als 20’000 Bildern nur 120 solche Stellen gefunden. Diese Aussickerungsrinnen sind also eine seltene Erscheinung auf dem Mars. Die Entstehung dieser Rinnen kann am besten mit flüssigem Wasser erklärt werden. Dies bestätigen auch Modelle und Laborexperimente.

Höhenmessungen mit dem Laser Altimeter des Mars Global Surveyors zeigen, dass sich die Grundwasserausflüsse nur 100 Meter oder weniger unterhalb der Marsoberfläche befinden. Der Druck der über der wasserführenden Schicht (Aquifer) liegenden Gesteine reicht bei 100 Metern Dicke kaum für eine Verflüssigung des Wassers aus. Man nimmt deshalb an, dass es sich um salzhaltiges Wasser handelt und deshalb der Gefrierpunkt tiefer und der Siedepunkt höher liegt (siehe oben).

Die Gullies scheinen alle nicht allzu alt zu sein. Es ist bis jetzt nicht einfach möglich die 120 beobachteten Gullies relativ zu einander zu datieren. Ein wunderbarer Hinweis auf das junge Alter sind auf Bild 8zu sehen. Die Gullies müssen jünger sein als die Dünen (Bild 8 links) und die Polygone (Bild 8 rechts). Soviel man weiss, bleiben die sehr fragilen Polygone nur 100-1000 Jahre erhalten. Ein Vergleich der Viking-Orbiteraufnahmen von 1977 und der Global Surveyor Bilder zeigen keine Anzeichen von Dünenwanderungen. Die Dünen sind deshalb mindestens 20 Jahre alt.

Bild 8: Die Schuttfächer ( eng. aprons) sind jünger als die Strukturen, welche sie überlagern. Anklicken für grösseres Bild. (© NASA, JPL)

Man kann sich vorstellen, dass diese Quellen und ihr Wasservorrat unter der Oberfläche Orte mit Marsleben sein könnten. Denn dort haben möglicherweise bis heute Mikroben überlebt, deren Vorfahren in dem Milliarden Jahre zurückliegenden feuchteren Zeitalter des Mars entstanden sind.

Die NASA bezeichnet diejenigen Stellen, an denen das flüssige Wasser erst in jüngster Vergangenheit ausgetreten ist, als ideale Orte um nach Leben auf dem Mars zu suchen. Vielleicht erfahren wir dann, dass der Mars vor Milliarden Jahren via Meteoriten von der Erde infiziert wurde, oder dass das Leben sogar ursprünglich von Mars kam. Dies ist jedoch noch Spekulation und keine wissenschaftlich gesicherte Aussage.

Die Erforschung des Mars ist spannend wie noch nie. Man denke nur an die Diskussion um die angeblichen Fossilien in einem vom Mars stammenden Meteoriten oder, gerade aktuell, die hier erwähnte Diskussion um das Vorkommen von flüssigem Wasser in jüngster Vergangenheit.