Mars: Geringe Mengen Methan und organisches Material

Am gestrigen Tag wurden auf einer gegenwärtig in den USA stattfindenden Fachkonferenz neue Forschungsergebnisse des Marsrovers Curiosity vorgestellt. Laut diesen Resultaten befinden sich in der Marsatmosphäre tatsächliche geringe Mengen an Methan, welche dabei offensichtlich quantitativen Schwankungen unterliegen. Außerdem konnte der Rover in einer Gesteinsprobe geringe Mengen an organischen Verbindungen nachweisen.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, AGU, Science.

Die Atmosphäre des Mars besteht hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid, welches dort im Durchschnitt mit einem Mengenanteil von 95,32 Prozent vertreten ist. Des weiteren enthält sie 2,7 Prozent Stickstoff, rund 1,6 Prozent Argon und geringe Anteile an Sauerstoff (1.300 ppm), Kohlenstoffmonoxid (800 ppm) und Wasserdampf (210 ppm). Anfang des Jahres 2003 gelang einem von Dr. Michael Mumma vom Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA geleitetem Team zudem der Nachweis von geringen Mengen an Methan in der Atmosphäre unseres äußeren Nachbarplaneten. Diese Messungen, welche mittels spektroskopischer Untersuchungen unter der Verwendung verschiedener irdischer Großteleskope gelangen, konnte im Jahr 2004 durch Messungen des von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebenen Marsorbiters Mars Express bestätigt werden.

Die Messungen deuteten darauf hin, dass das Methan zum Messzeitpunkt nicht gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt war. Vielmehr konzentrierte es sich auf eine 2.500 Kilometer durchmessende Region in der Nähe des Marsäquators. Laut den Berechnungen der beteiligten Wissenschaftler wurden dabei in den Regionen Terra Sabaea, Nili Fossae und Syrtis Major etwa 19.000 Tonnen des Gases freigesetzt. Die Freisetzung des Methan muss dabei erst kurz zuvor erfolgt sein, denn unter den in der Marsatmosphäre vorherrschenden Bedingungen wird dieses Gas relativ schnell unter anderem durch die fast ungehindert auf den Planeten einfallende UV-Strahlung in seine einzelnen chemischen Bestandteile zerlegt. Auch die auf der Marsoberfläche anscheinend weitläufig vorhandenen Perchlorate sind durch ihre aggressiven Eigenschaften für den relativ schnell erfolgenden Abbau von organischen Verbindungen – und somit auch für den Abbau von Methan – verantwortlich.

Obwohl die Methanvorkommen auf dem Mars in den folgenden Jahren von verschiedenen Wissenschaftlerteams bestätigt werden konnten, galt dessen Vorhandensein aus wissenschaftlicher Sicht jedoch keineswegs als endgültig gesichert, denn andere Teams konnten die gesammelten Daten bei ihren Untersuchungen nicht eindeutig bestätigen beziehungsweise kamen dabei sogar zu negativen Ergebnissen. Der Hauptgrund für die unterschiedlichen Resultate dürfte darin liegen, dass sich die Menge des in der Marsatmosphäre enthaltenen Methans mit einer Konzentration von lediglich etwa 10,5 ppb hart an der Nachweisgrenze der bisher zur Untersuchung der Marsatmosphäre zur Verfügung stehenden Instrumente befindet.

Dies hat sich jedoch vor zwei Jahren geändert, als am 6. August 2012 der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Marsrover Curiosity auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten landete. Bei einem der zehn wissenschaftlichen Instrumente des Marsrovers handelt es sich um das Instrument Sample Analysis at Mars (kurz “SAM”). Das SAM setzt sich aus drei einzelnen Messinstrumenten zusammen, von denen eines – das Tunable Laser Spectrometer (kurz “TLS”) – für die Ermittlung der chemischen Bestandteile der Marsatmosphäre und der Bestimmung von deren Mengenanteilen eingesetzt werden kann. Bereits bei kurzen und entsprechend ‘oberflächlichen’ Messungen ist das TSL in der Lage, Methan bis zu einer Konzentration von einem ppb nachzuweisen. Im Rahmen von länger andauernden Messungen kann Methan dagegen sogar bis zu einer Konzentration von lediglich 50 bis 100 Molekülen pro Billion Luftmolekülen nachgewiesen werden.

Schwankende Methankonzentrationen…
Während der ersten 20 Monate der Mission wurde das TSL insgesamt 13 mal genutzt, um in der Marsatmosphäre intensiv nach Methanvorkommen zu suchen. Bei den meisten dieser Messungen wurde von dem Instrument eine durchschnittliche Methankonzentration von lediglich etwa 0,7 Methanmolekülen pro Milliarde Luftmolekülen nachgewiesen. Dies entspricht einem Wert, welcher etwa 4.000 mal geringer ausfällt als die Methankonzentration in der irdischen Atmosphäre. Bei vier Messkampagnen, welche Ende 2013 und Anfang 2014 in einem Zeitraum von 60 Sols durchgeführt wurden, konnte das TSL jedoch zur Überraschung der beteiligten Planetenforscher einen zehn Mal höheren Wert von sieben Methanmolekülen pro Milliarde Luftmolekülen registrieren. Das ist zwar immer noch wenig – ist aber nicht mehr allzu weit von dem Wert entfernt, den die Wissenschaftler bereits vor etwa zehn Jahren ermitteln konnten.

“Dieser temporären Veränderungen in der Methankonzentration – erst scharf ansteigend und dann wieder abfallend – zeigt uns, dass es irgendwo in der näheren Umgebung eine lokale Quelle für das Methan geben muss”, so Sushil Atreya von der University of Michigan über die Bedeutung dieser Messergebnisse. Unklar ist für die Marsforscher dabei allerdings nach wie vor, durch welche Vorgänge das Methan freigesetzt wird.

Als mögliche Quellen für den Methannachschub auf dem Mars kommen verschiedene geologische Prozesse wie zum Beispiel vulkanische Aktivitäten oder eine Wechselwirkung zwischen tief im Untergrund befindlichen Wasservorkommen und Gesteinen in Frage. Eine weitere denkbare Erklärung für die Methanvorkommen auf dem Mars sind zudem Meteoriten und interplanetare Staubpartikel, welche regelmäßig auf die Oberfläche unseres Nachbarplaneten gelangen. Besonders interessant ist das Methan jedoch auch für die Exobiologen, von denen einige die Meinung vertreten, dass für das Methan in der Marsatmosphäre auch ein biologischer Ursprung in Frage kommen könnte. Immerhin sind methanproduzierende Mikroorganismen auf unserem Heimatplaneten für etwa 90 bis 95 Prozent des hier in der Atmosphäre befindlichen Methans verantwortlich.

Auffällig ist zudem, dass die Methanvorkommen anscheinend jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen – wie bereits in den Jahren 2003 und 2004 wurde das Methan auf dem Mars auch bei den kürzlich erfolgten Curiosity-Messungen während des dortigen Sommers auf der nördlichen Marshemisphäre nachgewiesen – und zudem anscheinend mit den täglichen Veränderungen des Wasserdampfgehaltes in der Atmosphäre korrelieren.
Die lediglich rund 60-tägige Dauer des Events, die dabei gegebenen unterschiedlichen Methankonzentrationen bei verschiedenen Tages- und Nachtzeiten sowie das dann plötzlich erfolgende Abklingen legen für die Curiosity-Messungen eine spontane und nur kurzzeitig erfolgende Freisetzung des Methans nahe, welche dabei in einem Gebiet erfolgte, das sich nördlich des damaligen Standortes des Rovers befand. Dies ergibt sich aus einer Auswertung der Daten der Wetterstation REMS, welche unter anderem auch die im Gale-Krater – dem Operationsgebiet des Rovers – auftretenden Windrichtungen und -geschwindigkeiten analysiert. Als Quelle kommt somit für die Wissenschaftler am ehesten ehemals in einem unterirdischen Reservoir eingeschlossenes und dann plötzlich freigesetztes Methan in Frage.

…und organische Verbindungen
Bei der Analyse einer Bohrprobe, welche bereits im Mai 2013 bei einer Bodenformation namens “Cumberland” entnommen wurde , gelang den an der Curiosity-Mission beteiligten Wissenschaftlern zudem der Nachweis von verschiedenen organischen Verbindungen. Hierbei, so das zuständige Team, handelt es sich um den ersten eindeutigen Nachweis von organischem Material auf dem Mars. Die Wissenschaftler hatten die unter anderem ebenfalls mit dem SAM-Instrument gewonnenen Daten zunächst über mehrere Monate hinweg ausführlich ausgewertet und dabei auch festgestellt, dass einige der dabei entdeckten organischen Verbindungen keineswegs vom Mars stammen, sondern als ‘blinde Passagiere’ von der Erde zusammen mit dem Rover zum Mars gelangt sind. Bei mehreren anderen Verbindungen sei es jedoch ausgeschlossen, dass es sich um Kontaminierungen durc´h von derr Erde eingeschleppte Substanzen handelt.

Die Suche nach derartigen kohlenstoffhaltigen organischen Verbindungen, welche als die ‘chemischen Grundbausteine des Lebens’ betrachtet werden, ist eines der erklärten Hauptziele der Mission des Marsrovers Curiosity. Allerdings, so die Planetenforscher, sei es bisher unklar, ob die jetzt registrierten Verbindungen dann letztendlich auch wirklich ursprünglich auf dem Mars entstanden sind oder ob sie beispielsweise durch Meteoriten auf dessen Oberfläche verfrachtet wurden.
Deuterium und Wasserstoff
Mit den Instrumenten des Rovers wurden zudem diverse Gesteinsproben analysiert wobei sich das Augenmerk der Wissenschaftler auf die darin enthaltenen Wassermoleküle und das sich dabei ergebende Verhältnis von Wasserstoff zu Deuterium richtete. Einzelne Wassermoleküle unterscheiden sich durch die jeweilige Isotopenzusammensetzung des Wasserstoffs. Es existieren drei Isotope des Wasserstoffs, welche sich durch die Anzahl der in den Wasserstoffatomen enthaltenen Neutronen unterscheiden. “Normaler” Wasserstoff enthält kein Neutron. “Schwerer” Wasserstoff – auch als Deuterium bekannt – enthält in seinem Atomkern ein Neutron und ein Proton. Der “überschwere” Wasserstoff – Tritium genannt – verfügt in seinem Kern sogar über zwei Neutronen.

In dem auf unserem Heimatplaneten befindlichen Wasservorräten kommt auf etwa 6.400 Wassermoleküle mit “normalen” Wasserstoff ein Molekül, welches Deuterium enthält. Die von Curiosity gemessenen Anteile von Deuterium in den Marsgesteinen fallen rund drei mal höher aus als vergleichbare Anteile im irdischen Wasser, was laut den beteiligten Wissenschaftlern auf eine in der Vergangenheit erfolgte kontinuierliche Anreicherung schließen lässt. Eine solche Anreicherung könnte sich beispielsweise ergeben haben, indem der “normale” Wasserstoff im Verlauf der Jahrmilliarden stetig aus der immer dünner werdenden Marsatmosphäre entwich, während das “schwerere” Deuterium erhalten blieb.

Die Daten von Curiosity legen nahe, dass der Mars bereits vor der Entstehung der im Mai 2013 im Bereich von “Cumberland” analysierten Gesteine vor mehr als drei Milliarden Jahren einen Großteil seines Wassers verloren haben muss. Auch in der Folgezeit, so die bisherigen Ergebnisse, hat sich dieser mit dem Verlust der Atmosphäre einhergehende Wasserverlust fortgesetzt.

Weitere Untersuchungen sind notwendig
Die an der Curiosity-Mission beteiligten Wissenschaftler betonen ausdrücklich, dass die aktuellen Erkenntnisse über das Methan oder über die dortigen organischen Verbindungen keine Antwort auf die Frage liefern, ob es irgendwann in der Vergangenheit einmal Leben auf unserem Nachbarplaneten gegeben hat. Die Resultate dieser Forschungen enthüllen allerdings eine Vielzahl an Details über diesen bis in die Gegenwart chemisch und geologisch aktiven Planeten sowie über die einstmals dort gegebenen lebensfreundlicheren Bedingungen. Gewissheit hierzu werden jedoch erst weitere Untersuchungen liefern können…

“Wir werden auch weiterhin mit diesen Entdeckungen arbeiten, die immer noch ein Rätsel für uns darstellen”, so John Grotzinger, der leitende Projektwissenschaftler der Curiosity-Mission vom California Institute of Technology (CIT) in Pasadena. “Können wir noch mehr über die aktive Chemie lernen, die für diese Schwankungen im Methangehalt der Atmosphäre verantwortlich ist? Und können wir Ziele für weitere Analysen identifizieren, in denen sich bestimmbare organischen Verbindungen erhalten haben könnten?”
Diese hier nur kurz vorgestellten Erkenntnisse der Curiosity-Mission wurden der Öffentlichkeit am gestrigen Tag im Rahmen der alljährlichen Herbsttagung der American Geophysical Union (AGU) präsentiert, welche vom 15. bis zum 19. Dezember 2014 in San Francisco/Kalifornien stattfindet. Parallel dazu wurden von den beteiligten Wissenschaftlern mehrere Artikel in Fachzeitschriften publiziert.
Bis zum heutigen Tag, dem Sol 841 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity fast zehn Kilometer auf der Marsoberfläche zurückgelegt. Dabei hat der Rover mit seinen Kamerasystemen inzwischen 206.976 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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• Aktuelle Diskussion zu Curiosity

Fachartikel von C. Webster et al.:

• Mars methane detection and variability at Gale Crater (Science – Abstract, engl.)