Der Mars war früher vermutlich von einer dichten Lufthülle umgeben, doch heute ist von ihr nur ein dünner Rest geblieben. Eine neue Studie zeigt, wie der Sonnenwind die Marsatmosphäre am äußeren Rand aufreißt und geladene Teilchen schubweise ins All schleudert. Die Verlustraten liegen dabei zeitweise 10 bis 100 Mal höher als bei den bislang bekannten, stetigen Abflusskanälen. Verantwortlich sind gewaltige Wellen am Rand der Atmosphäre, die wie Wind über Wasser entstehen. Warum der Rote Planet einen Großteil seiner Gashülle verlor, rückt damit ein Stück näher an eine Antwort.
Die Sonne stößt fortwährend einen Strom geladener Teilchen aus, den sogenannten Sonnenwind. Die Erde lenkt diesen Strom mit ihrem globalen Magnetfeld weitgehend ab und schützt so ihre Atmosphäre. Dem Mars fehlt ein solches schützendes Magnetfeld, weshalb der Sonnenwind seine obere Lufthülle direkt trifft. Auf lange Sicht kann dieser Beschuss Teilchen aus der Atmosphäre lösen und in den Weltraum tragen. Genau dieser Verlust gilt als ein Hauptgrund dafür, dass der Mars von einer einst dichteren Hülle zu seiner heutigen, sehr dünnen Atmosphäre wurde. Wie stark die einzelnen Mechanismen dazu beitragen, war lange nur in Teilen bekannt, denn der entscheidende Vorgang ließ sich mit einer einzigen Sonde kaum eindeutig belegen.
Am Rand der Marsatmosphäre trifft der schnelle Sonnenwind auf das langsamere Gas des Planeten. An dieser Grenze bilden sich große, rollende Strukturen, die Kelvin-Helmholtz-Wellen. Sie entstehen nach demselben Prinzip, nach dem Wind über eine Wasserfläche zunächst Kräuselungen und dann sich einrollende Wirbel erzeugt. Im Fall des Mars wühlen diese Wellen den Rand der Atmosphäre auf und formen ausgedehnte Plasmawellen, die Material vom Planeten wegtragen. Solche Prozesse laufen nicht gleichmäßig rund um den Planeten ab, sondern konzentrieren sich bevorzugt auf eine Seite. Welche Seite betroffen ist, hängt von der Richtung des elektrischen Feldes im Sonnenwind ab, was den Abfluss räumlich stark ungleich verteilt.
Der neu belegte Mechanismus ergänzt zwei bereits bekannte, stetige Abflusskanäle um einen dritten, deutlich heftigeren. In kurzen Schüben entweichen dabei zehn- bis hundertmal so viele Ionen wie über die ruhigeren Wege. Dass diese Schübe tatsächlich von den Wellen und nicht von zufälligen Böen des Sonnenwinds ausgelöst werden, war der entscheidende Nachweis. Die vollständige Auswertung samt der Messreihen ist in der Facharbeit zum wellengetriebenen Verlust der Marsatmosphäre nachzulesen. Sie liefert damit erstmals einen direkten Beleg für einen Prozess, der zuvor über Jahrzehnte nur theoretisch erwartet worden war.
Möglich wurde der Nachweis erst durch die Kombination zweier Raumsonden, die den Mars gleichzeitig beobachteten. Die NASA-Sonde MAVEN verfolgte die entweichenden Ionen nahe am Planeten, während Chinas Sonde Tianwen-1 den ungestörten Sonnenwind weiter außen vermaß. Durch den Abgleich beider Datensätze ließ sich der Zustand des ankommenden Sonnenwinds direkt mit dem Verhalten der Atmosphäre verknüpfen. Erst dieser doppelte Blick machte die Wellen als Ursache dingfest. Ähnlich wie ein feiner Blick auf scheinbar ruhige Oberflächen neue Muster sichtbar macht, zeigt sich das auch näher an der Erde, etwa wenn winzige Wirbel die gesamte Sonne bedecken.
Der Mars war vermutlich einst wärmer und trug flüssiges Wasser an seiner Oberfläche, was ihn lebensfreundlicher machte als heute. Der schrittweise Verlust der Atmosphäre gilt als ein Schlüssel dafür, wie aus einer möglicherweise gemäßigten Welt der heutige, lebensfeindliche Planet wurde. Der nun belegte Wellenmechanismus hilft, dieses Kapitel genauer zu rekonstruieren, auch mit Blick auf andere Planeten ohne globales Magnetfeld. Künftige Missionen sollen messen, wie stark die Wellen im Mittel zum Gesamtverlust beitragen. Dass selbst weit entfernte Himmelskörper überraschende Vorgänge zeigen, verdeutlicht auch der Befund, dass auf Pluto erstmals eine Flüssigkeit fließt.
Science Advances, Simultaneous Mars-orbit observations reveal Kelvin-Helmholtz instability driven bulk atmospheric ion escape; doi:10.1126/sciadv.aed9072