Dank jahrzehntelanger Erkundung mit Roboter-Orbiter-Missionen, Landern und Rovers sind sich Wissenschaftler sicher, dass vor Milliarden von Jahren flüssiges Wasser auf der Marsoberfläche floss. Darüber hinaus sind noch viele Fragen offen, darunter, ob der Wasserfluss zeitweise oder regelmäßig war oder nicht. Mit anderen Worten, war der Mars vor Milliarden von Jahren wirklich eine „warme und nasse“ Umgebung oder eher eine „kalte und eisige“?
Diese Fragen blieben aufgrund der Beschaffenheit der Marsoberfläche und -atmosphäre bestehen, die widersprüchliche Antworten bieten. Laut einer neuen Studie der Brown University scheint beides der Fall zu sein. Grundsätzlich hätte der frühe Mars erhebliche Mengen an Oberflächeneis aufweisen können, die periodisch schmolzen und genug flüssiges Wasser produzierten, um die alten Täler und Seebetten, die heute auf dem Planeten zu sehen sind, herauszuarbeiten.
Die Studie mit dem Titel „Late Noachian Icy Highlands Climate Model: Untersuchung der Möglichkeit vorübergehenden Schmelzens und der Aktivität von Fluss- und Lakustrinen durch jährliche und saisonale Höchsttemperaturen“ erschien kürzlich in Ikarus. Ashley Palumbo - ein Ph.D. Studentin am Brown Department of Earth, Environmental and Planetary Science - leitete die Studie und wurde von ihrem betreuenden Professor (Jim Head) und Professor Robin Wordsworth von der School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University begleitet.
Für ihre Studie suchten Palumbo und ihre Kollegen nach einer Brücke zwischen der Geologie des Mars (was darauf hindeutet, dass der Planet einst warm und nass war) und seinen atmosphärischen Modellen, die darauf hindeuten, dass er kalt und eisig war. Wie sie gezeigt haben, ist es plausibel, dass der Mars in der Vergangenheit im Allgemeinen mit Gletschern zugefroren war. Während der täglichen Spitzentemperaturen im Sommer schmolzen diese Gletscher an den Rändern und erzeugten fließendes Wasser.
Nach vielen Jahren hätten diese kleinen Schmelzwasserablagerungen ausgereicht, um die heute auf der Oberfläche beobachteten Merkmale zu erkennen. Vor allem hätten sie die Arten von Talnetzen schnitzen können, die im südlichen Hochland des Mars beobachtet wurden. Wie Palumbo in einer Pressemitteilung der Brown University erklärte, wurde ihre Studie von einer ähnlichen Klimadynamik inspiriert, die hier auf der Erde stattfindet:
„Wir sehen dies in den antarktischen Trockentälern, wo saisonale Temperaturschwankungen ausreichen, um Seen zu bilden und zu erhalten, obwohl die mittlere Jahrestemperatur weit unter dem Gefrierpunkt liegt. Wir wollten sehen, ob für den alten Mars etwas Ähnliches möglich ist. “
Um die Verbindung zwischen den atmosphärischen Modellen und den geologischen Beweisen zu bestimmen, begannen Palumbo und ihr Team mit einem hochmodernen Klimamodell für den Mars. Dieses Modell ging davon aus, dass die Atmosphäre vor 4 Milliarden Jahren hauptsächlich aus Kohlendioxid bestand (wie heute) und dass die Sonnenleistung viel schwächer war als heute. Anhand dieses Modells stellten sie fest, dass der Mars in seinen früheren Tagen im Allgemeinen kalt und eisig war.
Sie enthielten jedoch auch eine Reihe von Variablen, die möglicherweise vor 4 Milliarden Jahren auch auf dem Mars vorhanden waren. Dazu gehört das Vorhandensein einer dickeren Atmosphäre, die einen signifikanteren Treibhauseffekt ermöglicht hätte. Da sich Wissenschaftler nicht einig sein können, wie dicht die Marsatmosphäre vor 4,2 bis 3,7 Milliarden Jahren war, haben Palumbo und ihr Team die Modelle durchgeführt, um verschiedene plausible Niveaus der atmosphärischen Dichte zu berücksichtigen.
Sie berücksichtigten auch Variationen in der Umlaufbahn des Mars, die vor 4 Milliarden Jahren bestanden haben könnten, was ebenfalls einigen Vermutungen unterworfen war. Auch hier testeten sie eine Vielzahl plausibler Szenarien, darunter Unterschiede in der axialen Neigung und unterschiedliche Exzentrizitätsgrade. Dies hätte sich darauf ausgewirkt, wie viel Sonnenlicht von einer Hemisphäre über der anderen empfangen wird, und zu signifikanteren saisonalen Temperaturschwankungen geführt.
Am Ende des Modells wurden Szenarien erstellt, in denen Eisregionen in der Nähe der Talnetze im südlichen Hochland bedeckt waren. Während die mittlere Jahrestemperatur des Planeten in diesen Szenarien weit unter dem Gefrierpunkt lag, erzeugte sie auch Spitzen-Sommertemperaturen in der Region, die über dem Gefrierpunkt lagen. Das einzige, was übrig blieb, war zu zeigen, dass das produzierte Wasservolumen ausreichen würde, um diese Täler zu schnitzen.
Glücklicherweise haben Professor Jim Head und Eliot Rosenberg (damals Student bei Brown) im Jahr 2015 eine Studie erstellt, in der die Mindestmenge an Wasser geschätzt wurde, die zur Erzeugung des größten dieser Täler erforderlich ist. Unter Verwendung dieser Schätzungen und anderer Studien, die Schätzungen der erforderlichen Abflussraten und der Dauer der Bildung des Talnetzwerks lieferten, fanden Palumbo und ihre Kollegen ein modellbasiertes Szenario, das funktionierte.
Grundsätzlich stellten sie fest, dass der Mars bei einer Exzentrizität von 0,17 (im Vergleich zu seiner aktuellen Exzentrizität von 0,0934) eine axiale Neigung von 25 ° (im Vergleich zu heute 25,19 °) und einen atmosphärischen Druck von 600 mbar (100-mal so hoch wie heute) aufwies. dann hätte es ungefähr 33.000 bis 1.083.000 Jahre gedauert, um genug Schmelzwasser zu produzieren, um die Talnetze zu bilden. Bei einer kreisförmigen Umlaufbahn, einer axialen Fliese von 25 ° und einer Atmosphäre von 1000 mbar hätte es jedoch etwa 21.000 bis 550.000 Jahre gedauert.
Die in diesen Szenarien erforderlichen Exzentrizitätsgrade und axialen Neigungen liegen weit im Bereich möglicher Umlaufbahnen für den Mars vor 4 Milliarden Jahren. Und wie Head angedeutet hat, könnte diese Studie die atmosphärischen und geologischen Beweise in Einklang bringen, die in der Vergangenheit uneins waren:
„Diese Arbeit fügt eine plausible Hypothese hinzu, um zu erklären, wie sich flüssiges Wasser auf dem frühen Mars gebildet haben könnte, ähnlich wie beim saisonalen Schmelzen, das die Bäche und Seen erzeugt, die wir während unserer Feldarbeit in den antarktischen McMurdo-Trockentälern beobachten. Wir untersuchen derzeit zusätzliche Kandidatenerwärmungsmechanismen, einschließlich Vulkanismus und Einschlagkrater, die ebenfalls zum Schmelzen eines kalten und eisigen frühen Mars beitragen könnten. “
Es ist auch insofern von Bedeutung, als es zeigt, dass das Marsklima Schwankungen unterworfen war, die auch hier auf der Erde regelmäßig auftreten. Dies ist ein weiterer Hinweis darauf, wie ähnlich unsere beiden Flugzeuge sind und wie die Erforschung der einen Ebene dazu beitragen kann, unser Verständnis der anderen zu verbessern. Last but not least bietet es eine Synthese zu einem Thema, das einen angemessenen Anteil an Meinungsverschiedenheiten hervorgerufen hat.
Das Thema, wie der Mars warmes, fließendes Wasser auf seiner Oberfläche hätte erleben können - und zu einer Zeit, als die Sonnenleistung viel schwächer war als heute -, ist Gegenstand vieler Debatten geblieben. In den letzten Jahren haben Forscher verschiedene Vorschläge gemacht, wie sich der Planet erwärmen könnte, von Zirruswolken bis hin zu periodischen Methangasausbrüchen unter der Oberfläche.
Diese jüngste Studie hat die Debatte zwischen den Lagern „warm und wässrig“ und „kalt und eisig“ noch nicht ganz beigelegt, bietet jedoch überzeugende Beweise dafür, dass sich die beiden möglicherweise nicht gegenseitig ausschließen. Die Studie war auch Gegenstand einer Präsentation auf der 48. Lunar and Planetary Science Conference, die vom 20. bis 24. März in The Woodland, Texas, stattfand.
