Mars – der blau-rote Planet

Der Himmelskörper war einst zu mindestens 20 Prozent von Wasser bedeckt

Wasser ist auf dem Mars eher eine Seltenheit. Nur an den markanten Polkappen des Roten Planeten tritt es in größeren Mengen auf. Wie viel gefrorenes Wasser im Boden der wüstenartigen Landschaften geringerer geografischer Breite vorkommt, ist unklar. Viel dürfte es nicht sein. Vor 4,5 Milliarden Jahren muss unser kosmischer Nachbar jedoch einen völlig anderen Anblick geboten haben. Geologische Untersuchungen belegen, dass dort einst gewaltige Ströme flossen. Doch wie viel Wasser war das genau?

Forscher um Geronimo L. Villaneuva vom NASA Goddard Space Flight Center der amerikanischen Weltraumbehörde setzen für ihre urzeitliche Wasser-Bestandsaufnahme nun auf eine ungewöhnlich anmutende Methode: Statt wie viele Kollegen im Boden des Mars nach Hinweisen zu suchen, blicken sie in dessen Atmosphäre. Diese enthält zwar weniger als ein Prozent Wasserdampf, doch die genaue Zusammensetzung dieses atmosphärischen Wassers ist aufschlussreich.

„Wir können daraus rekonstruieren, wie sich der Wasserhaushalt des Planeten im Laufe der Jahrmillionen entwickelte und wie viel Wasser ins All entweichen konnte“, sagt Paul Hartogh vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Koautor der Studie. Durch den Einfluss der Sonnenstrahlung zerfällt das Wasser in der oberen Atmosphäre in seine einzelnen, leichteren Bausteine – die dann zum Teil das Schwerefeld des Planeten verlassen können.

Doch Wasser ist nicht gleich Wasser. Neben dem „normalen“ Wasser, das aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom aufgebaut ist, gibt es weitere Spielarten, etwa das sogenannte halbschwere Wasser. Darin ist ein Wasserstoffatom durch das schwerere Isotop Deuterium ersetzt, das im Atomkern ein weiteres Neutron enthält.

„Gefrorenes halbschweres Wasser geht erst bei einer etwas höheren Temperatur als normales Wasser in den gasförmigen Zustand über“, erklärt Hartogh. Wenn sich in den kühlen Permafrostregionen des Mars im Frühjahr der Boden erwärmt, verdampft somit bevorzugt normales Wasser. Im Boden bleibt Eis mit einem erhöhten Deuteriumanteil zurück.

Im Herbst hingegen kondensiert zunächst das halbschwere Wasser aus der Atmosphäre. „Auf diese Weise reichert sich innerhalb eines Jahreszyklus Deuterium am Boden an“, sagt Hartogh. Da zudem normaler Wasserstoff bevorzugt aus der Atmosphäre des Planeten entweicht, wird das gesamte Wasserreservoir des Mars im Laufe der Zeit immer reicher an Deuterium.

Um das Verhältnis von halbschwerem zu normalem Wasserdampf in der Atmosphäre des Mars genau zu verstehen, bestimmten die Forscher nicht wie sonst üblich einen globalen Mittelwert, sondern schauten sich den Planeten Stück für Stück an. Sie erhielten so erstmals eine zweidimensionale Karte des Verhältnisses beider Stoffe mit einer räumlichen Auflösung von nur 500 Kilometern. Schlüssel zu dieser Wasserkarte waren nicht nur leistungsfähige Teleskope, welche die typischen Fingerabdrücke von halbschwerem und normalem Wasser in der Infrarotstrahlung des Mars entdecken konnten, sondern vor allem sorgfältig gewählte Beobachtungszeitpunkte.

Die Schwierigkeit: Auch die irdische Atmosphäre enthält Wasserdampf. Um die Infrarotstrahlung des irdischen Wassers von jener des Mars-Wassers zu trennen, blickten die Forscher am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile, dem W.-M.-Keck-Observatorium sowie der NASA Infrared Telescope Facility auf dem Berg Mauna Kea auf Hawaii nur dann in Richtung Mars, wenn dieser der Erde besonders nahe war.

„Die Erde zieht ihre Kreise um die Sonne deutlich schneller als der Mars“, sagt Paul Hartogh. Gelegentlich überrundet sie ihn und holt ihn auf der Innenbahn von hinten kommend ein. „In dieser Situation ist der relative Geschwindigkeitsunterschied zwischen beiden Planeten in Beobachtungsrichtung am größten“, so der Wissenschaftler. Die Wellenlängen der Strahlung, die vom Mars-Wasser rührt, sind dann gegenüber denen des irdischen besonders stark verschoben. Dieser sogenannte Dopplereffekt ist auch bei vorbei sausenden Krankenwagen zu beobachten. Die Frequenz des Martinshorns ist gegenüber dem eines stehenden Krankenwagens verändert.

Dabei war die Analyse, die von März 2008 bis Januar 2014 währte, auch eine Geduldsprobe. Nur etwa alle zwei Jahre ergeben sich für einige Monate die notwendigen Beobachtungsbedingungen. Dabei konnten die Forscher verschiedene Jahreszeiten auf dem Roten Planeten miterleben: vom späten Winter bis zum Frühling auf der Nordhalbkugel. „Unsere Karten zeigen starke räumliche und jahreszeitliche Schwankungen“, sagt Hartogh. So kann das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff stellenweise dem des irdischen Wassers ähneln, andernorts ergeben sich bis zu neunmal so hohe Werte.

Besonders interessant sind für die Forscher die Regionen in Äquatornähe und solche niedriger geografischer Breite, in denen es im Sommer recht warm wird. So warm, dass alles gefrorene Wasser aus dem Boden verdampft – sowohl das normale, als auch das halbschwere. Dort kommen in der Atmosphäre auf jedes Molekül halbschweren Wassers etwa 900 Moleküle normalen Wassers. Auf der Erde sind es etwa siebenmal so viele.

„Das Eis in den Polkappen hingegen verdampft nie vollständig. Im Verlauf eines Jahres reichert sich dort deshalb Deuterium an“, sagt Max-Planck-Forscher Hartogh. Das Verhältnis von Deuterium zu Wasserstoff muss deshalb über dem Wert von 1:900 liegen; Modellrechnungen ergeben einen Wert von etwa 1:800.

Um zu bestimmen, wie viel Wasser der Mars im Laufe seiner Evolution verloren hat, ist dies die entscheidende Unbekannte. Sie beschreibt den aktuellen Zustand des derzeit größten Wasserreservoirs, der Polkappen. Direkte Messwerte von dort gibt es nicht; alle bisherigen Landemissionen haben deutlich niedrigere geografische Breiten angesteuert.

Den urzeitlichen Vergleichswert entnahmen die Wissenschaftler Messungen an Mars-Meteoriten, die sich bereits vor Milliarden von Jahren von ihrem Mutterplaneten lösten und auf die Erde stürzten. In ihrem Wasser sind die ursprünglichen Verhältnisse auf dem Roten Planeten konserviert.

„Unseren Berechnungen zufolge war der Mars vor 4,5 Milliarden Jahren zu mindestens 20 Prozent von Wasser bedeckt“, so Hartogh. Spuren, die dieses Wasser in der Oberflächengeologie des Planeten hinterlassen hat, deuten auf eine ähnliche, etwas größere urzeitliche Wasserbedeckung: „Diese Diskrepanz könnte bedeuten, dass die derzeitige Inventurliste des Mars-Wassers noch nicht vollständig ist.“

Möglicherweise versteckt sich das fehlende Wasser tief unter der Oberfläche des Planeten. Dort stünde es in keinerlei Wechselbeziehung mit der Atmosphäre und wäre somit auch in der vorliegenden atmosphärischen Betrachtung nicht enthalten.

BK / HOR