(Bildnachweis: Peter Buhler/PSI)
Ein einsamer Forscher hat möglicherweise herausgefunden, wie der Mars Flüsse und Meere aufrechterhalten konnte, selbst nachdem der Planet anfing, kalt zu werden und seine Atmosphäre dünn wurde, und das alles dank eines Kreislaufs aus Wasser und Kohlendioxid.
Wir wissen aus geologischen und mineralogischen Untersuchungen, dass der Mars vor etwa vier Milliarden Jahren warm und feucht genug war, um auf seiner Oberfläche reichlich flüssiges Wasser zu haben, von Flüssen und Seen bis hin zu einem riesigen Nordmeer. Dieser Zeitraum umfasst zwei geologische Epochen: das Noachium, das von vor 4,1 bis 3,7 Milliarden Jahren dauerte, und das Hesperium, das von vor 3,7 bis etwa 3 Milliarden Jahren andauerte. Das Noachium zeichnet sich durch wärmere Bedingungen aus, aber in seiner letzten Phase hätte der Mars beginnen müssen, kalt zu werden, da er seine Atmosphäre immer mehr an den Weltraum verlor. Dennoch gibt es immer noch Belege für Flusskanäle und Meere, die auf das späte Noachium und die Hesperian-Ära zurückgehen. Die Planetenforscher rätseln, wie der Mars zu dieser Zeit noch feucht sein konnte, und eine Theorie besagt, dass der Rote Planet eine unerklärliche Periode der globalen Erwärmung erlebte.
Jetzt aber könnte der Forscher Peter Buhler vom Planetary Science Institute in Arizona das Problem gelöst haben, indem er die Rolle des Kohlendioxid-Eises, das sich auf der Südpolkappe absetzt, modelliert hat.
Das Modell „beschreibt die Entstehung der wichtigsten Landschaftsmerkmale auf dem Mars – wie den größten See, die größten Täler und das größte Esker-System – in einer selbstkonsistenten Weise“, so Bühler in einer Erklärung. „Und es stützt sich nur auf einen Prozess, den wir heute sehen, nämlich das Kollabieren von Kohlendioxid aus der Atmosphäre.“
Esker sind lange, kiesige Erhebungen, die von fließendem Wasser hinterlassen wurden, und ihr Vorhandensein in der Nähe des Mars-Südpols ist ein wichtiger Hinweis darauf, wie sich die Ereignisse auf dem Roten Planeten abgespielt haben.
Normalerweise verbringt Bühler seine Zeit damit, den Kohlendioxidzyklus auf dem Mars zu modellieren. Während des Marswinters lagert sich eine Schicht aus Kohlendioxid-Eis auf den Polkappen aus Wassereis ab. Während es sich auf der Nordpolkappe nur um eine dünne Schicht handelt, ist die Schicht auf der Südpolkappe viel dicker, mit einer permanenten Kohlendioxid-Eisschicht von 8 m (26 Fuß) Dicke, zu der im Winter noch mehr hinzukommt. Dieses zusätzliche Kohlendioxid ist normalerweise im Marsboden eingeschlossen, aber während des Marssommers kann es in die Atmosphäre sublimieren und zum Winterpol transportiert werden.
Buhler wollte herausfinden, wie sich dieser Prozess vor 3,6 Milliarden Jahren auswirkte, also während des frühen Hesperiums, als die Atmosphäre – obwohl sie nach dem Abschalten des Magnetfelds des Mars, das den Sonnenwind abgewehrt hatte, in den Weltraum zu entweichen begann – noch viel dicker war als heute. Er fand heraus, dass sich jeden Winter eine 650 Meter dicke Schicht aus Kohlendioxid-Eis auf der Südpolkappe des Mars absetzte.
Eine Viking 1-Aufnahme des südlichen Randes von Argyre Planitia, der durch Berge gekennzeichnet ist, die das riesige Einschlagbecken umgeben, das einst mit Wasser überflutet war. (Bildnachweis: NASA)
Das Kohlendioxid hat zwei Dinge bewirkt. Zunächst wirkte es als Isolator und verhinderte, dass die aus dem Planeteninneren austretende Wärme am Südpol entweichen konnte. Außerdem erhöhte es das Gewicht und den Druck auf die Eiskappe. Die Kombination dieser Effekte führte zu Temperaturen und Drücken an der Basis der Eiskappe, die es dem Eis ermöglichten, zu schmelzen und eine Wasserlache zu bilden. Schließlich gefroren über viele Winter hinweg Wassereis und Kohlendioxid-Eis auf der Eiskappe, während sich das flüssige Wasser darunter zu einer solchen Menge ansammelte, dass es an den Seiten der Eiskappe auszutreten begann.
Nach der neuen Modellierung würde das flüssige Wasser, sobald es der kalten Luft ausgesetzt ist, als Permafrost gefrieren. Das ist aber noch nicht das Ende der Geschichte. Flüssiges Wasser würde sich weiterhin hinter dem Eis bilden und nach Möglichkeiten suchen, zu entkommen.
„Der einzige Weg, der dem Wasser bleibt, ist die Schnittstelle zwischen der Eisdecke und dem darunter liegenden Gestein“, sagt Bühler. „Deshalb sieht man auf der Erde Flüsse, die unter Gletschern hervorkommen, anstatt einfach in den Boden zu fließen.“
Die Flüsse würden immer noch gefrieren, wenn sie über dem Boden auftauchen, aber das Wasservolumen war so groß, dass es sich immer wieder unter das Eis grub, das schließlich eine gefrorene Decke über den Flüssen bildete, die mehrere Dutzend Meter dick war. Die Flüsse selbst waren nur etwa einen Meter tief, aber sie waren lang und zogen sich über Tausende von Kilometern vom Südpol weg.
Hier kommen die Esker ins Spiel. Sie sind die Überreste dieser langen subglazialen Flüsse, und viele von ihnen wurden gefunden, die sich radial von der südlichen Polarregion weg erstrecken.
Auch heute noch können wir die Überreste von vier großen Flusskanälen sehen, die in die Argyre Planitia fließen, ein riesiges Einschlagsbecken, das 1.700 Kilometer breit und 5,2 Kilometer tief ist. Im Laufe der Jahrmillionen füllten die subglazialen Flüsse Argyre mit Wasser und bildeten einen Ozean von der Größe des Mittelmeers. Und im Laufe dieser Jahrmillionen floss das Schmelzwasser immer weiter, so dass Argyre episodisch überlief und die nördlichen Ebenen des Mars überflutete.
„Dies ist das erste Modell, das genügend Wasser erzeugt, um Argyre zu überfluten“, so Bühler. „Es ist auch wahrscheinlich, dass das Schmelzwasser, sobald es flussabwärts fließt, wieder in die Atmosphäre sublimiert, bevor es zur südlichen Polkappe zurückkehrt, und so einen hydrologischen Zyklus von Pol zu Äquator aufrechterhält, der eine wichtige Rolle bei dem rätselhaften Puls der späten hydrologischen Aktivität des Mars gespielt haben könnte.“
Endlich wurde es auf dem Mars zu kalt, so dass selbst dieser Schmelzwasserprozess nicht mehr stattfinden konnte. Kürzlich wurde behauptet, dass unter der südlichen Polkappe des Mars noch heute ein unterirdischer See existiert, aber diese Idee wird inzwischen stark angezweifelt.
Das Schöne an Bühlers Modell ist, dass es keine unerklärliche Erwärmung braucht, um die Anzeichen für Wasser zu erklären, die wir sehen – es ist buchstäblich derselbe Kohlendioxidzyklus, den wir heute auf dem Mars sehen. Leider ist der Mars so kalt geworden und verfügt über so wenig Kohlendioxid, dass die Zeiten, in denen es auf dem Roten Planeten verbreitet flüssiges Wasser gab, seit Milliarden von Jahren vorbei sind.
Buhlers Forschungsarbeit wurde am 1. November im Journal of Geophysical Research veröffentlicht: Planets.
