Warum der Mars sein Wasser verlor: Studie legt nahe, dass die Rotationsachse den Verlust seiner Seen und Ozeane verursacht haben könnte

Der Mars ist ein extrem trockener Planet, dessen Druck- und Temperaturbedingungen das Vorkommen von flüssigem Wasser auf seiner Oberfläche verhindern . Geologische und mineralogische Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass der rote Planet in ferner Vergangenheit große Wassermengen in Form von Flüssen, Seen und sogar Ozeanen beherbergte .

Trotz jahrzehntelanger Forschung bleibt eines der großen Rätsel der Marsgeschichte ungeklärt: Was geschah mit all dem Wasser?

Eine neue Studie unter der Leitung des Andalusischen Instituts für Astrophysik (IAA-CSIC) untersuchte die Rolle der Obliquität – der Neigung der Rotationsachse des Planeten – beim Verlust von Wasserstoff und damit Wasser aus der Marsatmosphäre im Laufe der Zeit. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

„Um die Studie zu verstehen, muss man sich vor Augen halten, dass sich die Schiefe des Mars im Laufe seiner Geschichte erheblich verändert hat“, sagt Gabriella Gilli, eine Forscherin des IAA-CSIC, die die Arbeit mitgeleitet hat.

„Das von uns verwendete dreidimensionale Klimamodell lässt darauf schließen, dass die Fluchtrate während Zeiten hoher Schiefe fast zwanzigmal höher gewesen sein könnte als heute“, erklärt er.

Der Co-Leitautor der Studie, Francisco González-Galindo, stellt fest: „Wenn wir das gesamte Wasser, das vor drei bis vier Milliarden Jahren auf dem Mars vorhanden war, zusammenzählen würden, hätten wir einen globalen Ozean von mehr als 100 Metern Tiefe.“

Ein Teil dieses Wassers könnte sich noch heute unter der Oberfläche befinden, eingeschlossen in Form von Eis oder eingebettet in hydratisierte Mineralien. Ein anderer Teil ist jedoch durch einen Prozess namens „atmosphärisches Entweichen“ in den Weltraum verloren gegangen. Dabei gewinnen Atome und Moleküle genügend Energie, um die Anziehungskraft des Planeten zu überwinden und in das interplanetare Medium zu entweichen.

Die derzeitige Wasserstoffentweichungsrate allein reicht nicht aus, um den Verlust der enormen Wassermengen zu erklären, die es in der Vergangenheit gab. Die Umlaufbahn des Mars unterliegt periodischen Schwankungen, die sein Klima erheblich beeinflussen.

Eine der bedeutsamsten Veränderungen ist die Veränderung der Neigung der Rotationsachse, die sogenannte Obliquität. „Obwohl dieser Wert derzeit dem der Erde ähnelt – etwa 25 Grad – schwankte er auf dem Mars in den letzten Hunderten von Millionen Jahren stark und lag im Durchschnitt bei etwa 35 Grad“, sagt Gilli.

Obwohl bekannt ist, dass diese Schwankungen einen erheblichen Einfluss auf den Wasserkreislauf des Planeten haben, wurde bislang nicht untersucht, wie sie sich auf den Wasserverlust durch Entweichen in die Atmosphäre auswirken.

Die Studie untersuchte die Beziehung zwischen der Schiefe der Marsachse und dem Wasserverlust im Laufe der Zeit und ergab, dass in Zeiten, in denen die Achsneigung hohe Werte erreichte, die Sonneneinstrahlung an den Polen zunahm.

Dies intensivierte den Wasserkreislauf und erzeugte eine wärmere, feuchtere Atmosphäre. Unter diesen Bedingungen gelangte der Wasserdampf in höhere Schichten der Atmosphäre, wo er anfälliger für die Sonneneinstrahlung war, die ihn in Wasserstoff- und Sauerstoffatome zerlegte.

Da Wasserstoffatome sehr leicht sind, könnten sie leichter in den Weltraum entweichen und so zum Wasserverlust auf dem Planeten beitragen .

Das Forschungsteam schätzt, dass der Wasserstoffverlust während Perioden hoher Obliquität das Verschwinden einer Wassermenge erklären könnte, die einem etwa 80 Meter tiefen globalen Ozean entspricht. Dieser Wert entspricht der Untergrenze der Schätzungen des einstigen Wasservorkommens auf dem Mars. „Obwohl dies im Vergleich zur Erde bescheiden erscheinen mag, stellt es auf dem Mars einen erheblichen Teil des früheren Wasservorkommens dar, sodass seine Auswirkungen erheblich sind“, kommentiert Gabriella Gilli.

Das wichtigste Instrument dieser Studie, das Mars Planetary Climate Model (Mars-PCM ), wurde ursprünglich vom Laboratoire de Météorologie Dynamique in Paris in Zusammenarbeit mit anderen internationalen Institutionen entwickelt.

Für diese Studie hat das IAA-CSIC grundlegende Verbesserungen am globalen Klimamodell des Mars vorgenommen, darunter neue Verbindungen und chemische Reaktionen, die es erstmals ermöglicht haben, Beobachtungen des Wasserstoffaustritts, die unter anderem von den Missionen Maven (NASA) und Mars Express (ESA) gemacht wurden, genau zu reproduzieren.

Das Team hat außerdem Simulationen durchgeführt, die zeigen, wie sich Änderungen der Neigung der Marsachse auf den Wasserverlust in den Weltraum ausgewirkt haben .

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Wasserstoffaustritt beim Austrocknungsprozess des Mars eine wichtigere Rolle spielte als bisher angenommen. Dies ist der Schlüssel zur Rekonstruktion, wie viel Wasser der Planet im Laufe seiner Geschichte an den Weltraum verloren hat“, sagt Francisco González-Galindo.

In diesem Zusammenhang hat die Studie auch astrobiologische Auswirkungen, denn wenn wir verstehen, wie Veränderungen der Neigung der Planetenachse den Wasserkreislauf intensiviert und seinen Verlust in den Weltraum begünstigt haben , können wir die Suche nach möglichen Zeiträumen verfeinern, in denen der Mars bewohnbar gewesen sein könnte .

„Zu wissen, wann und wie die richtigen Bedingungen entstanden – und wann sie nicht mehr existierten – ist entscheidend für die Einschätzung, ob der Rote Planet irgendwann in seiner Geschichte Leben ermöglicht haben könnte“, betont Gilli.

Darüber hinaus verdeutlicht die Arbeit auch, in welchem ​​Ausmaß Orbitalparameter das Klima eines Planeten verändern können.

„Während die Schwankungen auf der Erde dank der Stabilisierung durch den Mond gering sind, haben sie auf dem Mars drastische Veränderungen verursacht, die sich auf das Wasser, die Atmosphäre und letztlich auf die Möglichkeit, Leben zu erhalten, ausgewirkt haben“, sagt González-Galindo.

„Diese langfristige Betrachtung des globalen Klimawandels bietet auch wertvolle Einblicke in die Fragilität der Gleichgewichte, die Bewohnbarkeit ermöglichen , und unterstreicht, wie wichtig es ist, unseren Planeten zu schützen“, schließt Gabriela Gilli.