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Autor: Ralph-Mirko Richter / 05. Oktober 2011, 23:24 Uhr

Wasserdampfüberschuss in der Marsatmosphäre

Eine Analyse der von der Raumsonde Mars Express gesammelten Daten hat ergeben, dass die obere Atmosphäre des Mars mit Wasserdampf übersättigt ist. Über diese für das Verständnis des dortigen Wasserkreislaufes wichtige Entdeckung wurde heute auf dem derzeit in Frankreich stattfindenden EPSC-DPS Joint Meeting 2011 berichtet.

Quelle: EPSC-DPS 2011, ESA, Science
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NASA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Bild vergrößernDiese Aufnahme des Hubble Space Teleskops vom 26. Juni 2001 zeigt den Mars in einer Entfernung von rund 43 Millionen Kilometern. Im Bereich der nördlichen Polarkappe und über Teilen der südlichen Hemisphäre sind teilweise dichte Wolken aus Wassereiskristallen in der Marsatmosphäre erkennbar.
(Bild: NASA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA))
Seitdem im Jahr 1963 erstmals Spuren von Wasserdampf in der Atmosphäre unseres äußeren Nachbarplaneten nachgewiesen werden konnten, war dessen nähere Untersuchung immer eines der Ziele der in den letzten Jahrzehnten zum Mars entsandten Forschungsmissionen. Dabei zeigte sich, dass der Wasserkreislauf des Mars von der im Wechsel erfolgenden Sublimation und Resublimation von Wassereis angetrieben wird, welches an den beiden Marspolen abgelagert ist. Allerdings waren die meisten der bisherigen Marssonden darauf ausgelegt, die Oberfläche unseres Nachbarplaneten zu erforschen. Die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Mars Express hat dagegen gleich drei Instrumente an Bord, welche sich zur Beobachtung der Marsatmosphäre eignen. Mit diesen Instrumenten - es handelt sich um die Spektrometer OMEGA, SPICAM und PFS - konnten bisher über einen Zeitraum von mehr als sieben Jahren Daten gesammelt werden.

SPICAM kann bei seinem Messungen die Absorptionslinien von verschiedenen in der Marsatmosphäre vertretenen Gasen im UV- und im Infrarotbereich erfassen. Im sogenannten Okkultationsmodus kann dabei auch deren vertikale Verteilung ermittelt werden. Ein Okkultationsmodus ist dann möglich, wenn der Mars von der Raumsonde aus gesehen dicht an der Sonne vorbeizieht. Bei so einer Okkultation passiert das Sonnenlicht bevor es die Instrumentenöffnung erreicht die Marsatmosphäre. Dabei werden je nach den darin enthaltenen Gasen bestimmte Wellenlängen des Lichtes absorbiert. Durch die Analyse der im Okkultationsmodus empfangenen Lichtspektren können somit vertikale Atmosphärenprofile erstellt werden. Auf diese Weise sind Aussagen über die in der Atmosphäre befindlichen Gase und deren jeweiligen Mengenanteile in unterschiedlichen Höhen möglich.

Dabei zeigte sich, dass die vertikale Verteilung des Wasserdampfes während des Frühlings und Sommers auf der nördlichen Hemisphäre deutlich von den zuvor erstellten theoretischen Modellen abweicht. Laut der SPICAM-Messungen ist die Marsatmosphäre in Höhen zwischen 25 und 50 Kilometern stark mit Wasserdampf übersättigt. Sie enthält in diesen Höhen mehr als zehnmal so viel Wasserdampf, wie sie eigentlich unter den dort vorherrschenden Bedingungen aufnehmen kann.

ESA, AOES Medialab

Während des Frühlings und Sommers werden die zum Großteil aus Wassereis bestehenden Polarkappen von der Sonne erwärmt und das Eis sublimiert schrittweise zu Wasserdampf. Diese Wasserdampfmoleküle werden durch atmosphärische Strömungen in höhere Schichten befördert. Hier lagern sie sich an Aerosolen ab und kondensieren zu Wolken. Durch zu wenig Aerosole erfolgt eine Übersättigung mit Wasserdampf, welcher dann durch Sonnenstrahlung aufgespalten wird. Die freigesetzten Atome von Wasserstoff und Sauerstoff entweichen in das Weltall und der Mars verliert erneut etwas mehr Wasser.
(Bild: ESA, AOES Medialab)
Wie kommt es zu dieser Übersättigung?

Wasserdampf ist ein sehr dynamisches Spurengas, dessen Anteil in der Marsatmosphäre bei durchschnittlich lediglich etwa 210
ppm liegt. Die Marsatmosphäre enthält somit etwa 10.000-mal weniger Wasserdampf als die Erdatmosphäre. Trotz dieser geringen Menge ist der Wasserdampf einer der Atmosphärenbestandteile, welcher auf dem Mars den größten jahreszeitlich bedingten Schwankungen unterliegt. Während des Frühlings und Sommers auf der nördlichen Hemisphäre wird aufgrund der dabei auftretenden Temperaturveränderungen und des durch eine Sublimation der nordpolaren Wassereisvorräte ausgelösten Anstieges des Luftdrucks eine globale Luftzirkulation in Gang gesetzt. Diese hat zur Folge, dass in den äquatorialen Breiten Luft in die Höhe steigt und dabei auch den darin enthaltenen Wasserdampf in die Höhe befördert.

Unter irdischen Bedingungen kondensiert Wasserdampf an den in der Luft schwebenden Staubpartikeln oder Aerosolen. Sobald die Lufttemperaturen und der Druck einen gewissen Wert unterschreiten bilden sich zudem Wassereiskristalle und der Anteil des Wasserdampfes nimmt dabei schnell ab. Gleiches sollte auch in der dünnen Marsatmosphäre geschehen. Als ein Indiz hierfür wurden bisher immer die Wolkengürtel aus Wassereiskristallen angesehen, welche sich speziell in den äquatorialen Breiten des Mars ausdehnen.

Deshalb waren die Wissenschaftler davon ausgegangen, dass der Wasserdampfgehalt in der Marsatmosphäre durch diesen Kondensationsprozess begrenzt und dabei zudem stark temperaturabhängig ist. Je kälter die Atmosphäre des Mars in einer bestimmten Höhe ist, desto weniger Wasserdampf sollte sich dort konzentrieren. Die Auswertungen der SPICAM-Daten zeigen jetzt jedoch, dass der Kondensationsprozess in Höhen zwischen 25 und 50 Kilometern offensichtlich nicht effizient genug ist, um den Wasserdampf in dem erwarteten Umfang zu binden. Vielmehr ist die dortige Atmosphäre mit Wasserdampf übersättigt.

ASPERA-Kooperation

Bild vergrößernDa der Mars im Gegensatz zur Erde über kein nennenswertes Magnetfeld verfügt kann die von der Sonne ausgehende Strahlung - der Sonnenwind - tief in die Marsatmosphäre vordringen. Die Sonnenwindionen können dabei die in der Atmosphäre enthaltenen Moleküle in ihre atomaren Bestandteile aufspalten. Diese Aufspaltung beschleunigt das Entweichen in den Weltraum.
(Bild: ASPERA-Kooperation)
Als Ursache hierfür kommt nach Ansicht der Marsforscher zum Beispiel ein Mangel an Aerosolen in diesen Höhen in Frage, welche den Dampf an sich binden können. Ein weiterer Grund könnte der in diesen Höhen herrschende geringe Luftdruck der Marsatmosphäre sein, welcher den Kondensationsprozess und die Bildung von Eiskristallen behindert. Auf jeden Fall hat die Wasserdampfübersättigung nach Meinung der Wissenschaftler grundlegende Auswirkungen auf die Mechanismen, welche den Wasserkreislauf und das Wettergeschehen in der Atmosphäre unseres Nachbarplaneten kontrollieren. So wurde der äquatoriale Gürtel aus Wassereiswolken bisher immer als eine Art Barriere angesehen, welche den Austausch von Wasser zwischen der nördlichen und der südlichen Planetenhemisphäre effizient unterbindet und so auch über einen prägenden Einfluss auf das globale Klima verfügt. Aufgrund der in einem unzureichenden Umfang erfolgenden Kondensation und der dadurch bedingten Übersättigung der Hochatmosphäre mit Wasserdampf verfügt dieser Gürtel aber anscheinend über eine geringere Bedeutung als bislang angenommen.

Zudem ergibt sich noch ein weiterer möglicher Effekt. Da sich aufgrund der Übersättigung wesentlich mehr Wasserdampf in der Hochatmosphäre des Mars befindet als bisher erwartet, ist es möglich, dass eventuell deutlich mehr Wasser in den Weltraum entweicht als bisher angenommen. Die in der oberen Atmosphäre befindlichen Wassermoleküle würden dabei zuerst durch die einfallende Sonnenstrahlung in ihre einzelnen Bestandteile - zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom - aufgespalten werden. Diese einzelnen Atome würden sich anschließend aufgrund ihres gegenüber den Wassermolekülen geringeren Gewichtes deutlich schneller in das den Mars umgebende Weltall verflüchtigen.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse der Analysen von L. Maltagliati et al. wurden bereits am 30. September 2011 in der Fachzeitschrift Science publiziert und heute auf dem EPSC-DPS Joint Meeting 2011, einem gerade in Nantes/Frankreich stattfindenden Wissenschaftskongress, präsentiert.

Raumcon-Forum: EPSC-DPS Joint Meeting 2011: Science:
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