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Mars-Eiswolken können ganz ohne Staubteilchen entstehen
Eine bis zu 1.800 Kilometer lange Eiswolke am Marsvulkan Arsia Mons hat Forscher lange vor ein Rätsel gestellt. Neue Simulationen legen nahe, dass ihre Eiskristalle ohne die sonst üblichen Staubteilchen entstehen, direkt aus Wasserdampf. Diese bislang nur theoretisch diskutierte Form der Wolkenbildung könnte auch auf anderen Planeten eine Rolle spielen.
Paris (Frankreich). Auf dem Mars zieht sich in jedem südlichen Frühling und Sommer morgens eine auffällige helle Wolke westlich des Vulkans Arsia Mons entlang. Ihr schmaler Schweif kann bis zu 1.800 Kilometer lang werden und löst sich im Tagesverlauf wieder auf. Schon länger ist bekannt, dass es sich um eine Eiswolke handelt, die durch aufsteigende Luft in der Nähe des Berges entsteht.
Doch ihr genauer Entstehungsmechanismus blieb ungeklärt. Auf der Erde und auf dem Mars bilden sich Eiskristalle normalerweise an winzigen Schwebteilchen, etwa Staub, an denen sich Wasserdampf niederschlägt. Simulierte man den Vorgang auf diese Weise, fehlte in den Modellergebnissen gerade der lange, für die Marswolke typische Schweif.
Forscher der Sorbonne Université um Dr. Jorge Hernández-Bernal haben deshalb die Bildung der Arsia Mons Elongated Cloud (AMEC) mit einem regionalen Mars-Wettermodell neu untersucht. Als Vergleich dienten Beobachtungen der Raumsonde Mars Express, deren Kameras die Wolke seit Jahren wiederholt aufgenommen haben. Die Wissenschaftler ergänzten ihr Modell um eine Form der Eisbildung, bei der Wasserdampf ohne feste Kondensationskeime direkt zu Eiskristallen wird.
Diese sogenannte homogene Nukleation galt unter realen Bedingungen von Planetenatmosphären bislang als höchst unwahrscheinlich. Normalerweise setzt die Eisbildung an bereits vorhandenen Partikeln ein, sobald sich die Luft ausreichend abkühlt. Für die spontane Bildung neuer Eiskeime ist dagegen eine außergewöhnlich hohe Übersättigung nötig, also deutlich mehr Wasserdampf, als unter den jeweiligen Bedingungen im Gleichgewicht vorliegen könnte.
„Bei der AMEC scheint die Wolkenbildung ohne all dieses Material auszukommen. Wasserdampf verwandelt sich ohne Zwischenschritt direkt in eisige Wolkenpartikel. Das ist so, als würden sich Kondensationströpfchen mitten im Raum bilden und nicht an einem Fenster. Wir nennen diesen Vorgang homogene Nukleation, und wir haben ihn zuvor noch nie in einer Planetenatmosphäre beobachtet. Das war völlig unerwartet“, erklärt Dr. Jorge Hernández-Bernal.
Am Arsia Mons könnten die Bedingungen für diesen seltenen Prozess vorübergehend entstehen. Wenn Winde den rund 20 Kilometer hohen Marsvulkan umströmen, lösen sie Wellen in der Atmosphäre aus, die feuchte Luft binnen Minuten um mehrere Kilometer anheben. Dabei kann sie sich laut dem Modell innerhalb von zehn Minuten um rund 30 Grad Celsius abkühlen, wodurch die relative Luftfeuchtigkeit sprunghaft ansteigt.
„Wir haben solche Bedingungen auf dem Mars bisher noch nicht beobachtet, aber unser Ergebnis legt nun stark nahe, dass die Luftfeuchtigkeit des Planeten tatsächlich diese extremen Werte erreichen kann“, erklärt Dr. Jorge Hernández-Bernal.
Frühere Simulationen mit der üblichen Bildung von Eiskristallen an Staubpartikeln konnten die beobachtete Form der Wolke nicht reproduzieren. Erst nachdem das Team die spontane Eisbildung in die Rechnungen aufgenommen hatte, entstand im Modell ebenfalls ein langer, schmaler Wolkenschweif. Die neue Erklärung berücksichtigt auch, warum sich Eiskristalle nach ihrer Entstehung über große Strecken halten könnten, statt sofort wieder zu verdampfen.
Für den Abgleich nutzten die Forscher Aufnahmen mehrerer Kameras an Bord von Mars Express. Besonders wichtig waren dabei die Lage der Wolke, ihr lang gestreckter Schweif und die Veränderung im Tagesverlauf. Allerdings stimmt noch nicht jedes Detail der Simulation mit den Bildern überein. Die Ergebnisse liefern zudem einen indirekten Hinweis auf die spontane Eisbildung, aber keine direkte Messung dieses Vorgangs in der Marsatmosphäre.