Wissenschaftler haben mithilfe der Raumsonde Mars Express und moderner Computermodelle herausgefunden, dass die Entstehung der gigantischen Arsia-Mons-Wolke auf dem Mars auf bisher nur theoretisch beschriebene, exotische Physik zurückgeht. Der über 1.000 Meilen lange Eisdampfschleier bildet sich demnach ohne jegliche Staubpartikel als Kondensationskeime.
Jeden Morgen im Frühlings- und Sommerhalbjahr der südlichen Marshemisphäre wiederholt sich ein spektakuläres Naturschauspiel. Über dem 20 Kilometer hohen erloschenen Vulkan Arsia Mons entsteht ein gewaltiger, weißer Wassereiswisch, der sich bis zu 1.800 Kilometer weit über die Marsoberfläche erstreckt. Diese Formation, bekannt als Arsia Mons Elongated Cloud (AMEC), erreicht fast die doppelte Länge Großbritanniens oder anderthalb Mal die Länge Kaliforniens. Doch so schnell die Wolke bei Sonnenaufgang aufsteigt, so rasch löst sie sich nach wenigen Stunden wieder in Luft auf.
Simulationen und die Entdeckung der homogenen Keimbildung durch Mars Express
Obwohl die europäische Raumsonde Mars Express das Phänomen bereits im Jahr 2018 entdeckt und seither intensiv überwacht hat, blieben bisherige Computermodelle ratlos. Die Dynamik der orographischen Wolke ließ sich mit gängigen Parametern nicht reproduzieren. Erst die Einbindung extremer physikalischer Prozesse brachte den Durchbruch. Jorge Hernández-Bernal von LMD/CNRS/Sorbonne Université in Paris leitete die neue Untersuchung, die in der Fachzeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht wurde.
Auf der Erde und im restlichen Sonnensystem bilden sich Wolken üblicherweise durch sogenannte heterogene Keimbildung. Dabei kühlt feuchte Luft ab, und Wasserdampf kondensiert an mikroskopisch kleinen Schwebeteilchen wie Staub, Salz, Ruß oder Pollen. Für den Mars galt bisher ebenfalls Staub als wahrscheinlicher Katalysator. Bei der AMEC funktioniert der Prozess jedoch völlig anders, wie die Forscher betonen.
Hernández-Bernal erklärte, dass Wasserstoffdampf direkt in Eiskristalle umwandelt, ohne einen Zwischenschritt. Dieser Prozess, bekannt als homogene Keimbildung, wurde nie in einer Planetenatmosphäre beobachtet und sei völlig unerwartet
.
Extreme Luftfeuchtigkeit und der Einfluss des Vulkans Arsia Mons
Dass sich Wasserdampf ohne jeden Umweg und ohne Staub in Eiskristalle verwandelt, erfordert außergewöhnliche Bedingungen. Die relative Luftfeuchtigkeit muss dafür Werte erreichen, die das 100.000-Fache des auf der Erde Üblichen übersteigen. Solche Extreme galten auf dem Roten Planeten bisher als unmöglich, doch die vom Mars Express gelieferten Daten zeichnen ein anderes Bild.
Verantwortlich für diesen Zustand ist die gewaltige Topografie des Vulkans selbst. Wenn starke Winde auf die Hänge von Arsia Mons treffen, erzeugen sie eine mächtige atmosphärische Welle. Diese schießt feuchte Luftmassen innerhalb weniger Minuten mehrere Kilometer in die Höhe. Die Temperaturen stürzen dabei rapide ab: Innerhalb von nur zehn Minuten kühlt sich die Luft um 30 Grad Celsius ab. Dadurch springt die Luftfeuchtigkeit sprunghaft nach oben, und der Wasserdampf gefriert an Ort und Stelle.
Bedeutung der neuen Modelle für die Erforschung anderer Planeten
Das erfolgreiche Nachstellen der Wolkenbildung werten die beteiligten Forscher als einen großen Erfolg. Die Basis für das Modell bildeten Aufnahmen der drei Kameras an Bord der Raumsonde: die Visual Monitoring Camera, die High Resolution Stereo Camera sowie das OMEGA-Instrument. Colin Wilson, Projektwissenschaftler für Mars Express, der nicht an der aktuellen Studie beteiligt war, hob die einmaligen Beobachtungsmöglichkeiten der Mission hervor.
Wilson betonte, dass Mars Express die AMEC seit 2018 beobachtet und nun dabei helfe, ihre Entstehung zu entschlüsseln.
Die Erkenntnisse zeigen, dass meteorologische Prozesse auf anderen Welten grundlegend von denen auf der Erde abweichen können. Die Forscher hoffen, dass die Ergebnisse das Interesse an staubfreien Wolkenbildungsprozessen nicht nur auf dem Mars, sondern auch auf der Venus und in der oberen Erdatmosphäre anregen. Gleichzeitig bleibt das Fortbestehen der AMEC empfindlich: Sollte der Mars jemals durch künstliche Klimaeingriffe verändert werden, könnte diese auffällige Wolke nach Einschätzung von Hernández-Bernal für immer verschwinden.
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