1800 Kilometer langer, verlängerter Wolke auf dem Mars enthüllt seltene atmosphärische Physik

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Eine massive, verlängerte Wassereiswolke über dem Arsia Mons auf dem Mars entsteht durch ungewöhnliche Physik — homogene Keimbildung — die zuvor nur theoretisch und nicht in der Natur beobachtet wurde.

Forscher haben die Ursache hinter einem bemerkenswerten atmosphärischen Phänomen entdeckt, das regelmäßig über dem Arsia Mons, einem erloschenen Vulkan auf dem Mars, auftritt. Jedes Jahr bildet sich in den frühen Morgenstunden eine riesige, bis zu 1800 Kilometer lange, verlängerte Wassereiswolke über dem Vulkan, die mehrere Stunden anhält und sich dann bis zum Mittag auflöst. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2018 hat diese Arsia Mons Elongated Cloud (AMEC) Wissenschaftler verwirrt, weil ihr Verhalten nicht mit etablierten Wolkenbildungsmodellen übereinstimmte.

Normalerweise benötigen Wolkentröpfchen oder Eiskristalle Kondensationskerne – Partikel wie Staub – um zu entstehen. Auf dem Mars, mit seiner staubigen Oberfläche, erwarteten Wissenschaftler, dass sich Eiskristalle auf in der Luft schwebenden Staubkörnern ansammeln. Allerdings konnten bestehende Modelle das beobachtete AMEC-Phänomen nicht reproduzieren, bis Physiker einen selten beobachteten Prozess namens homogene Keimbildung einbezogen. Dieser Prozess beinhaltet, dass Wasserdampf direkt in Eisteilchen kristallisiert, ohne Zwischenteilchen oder Staub, ähnlich wie Tröpfchen, die spontan in der offenen Luft und nicht auf einer Oberfläche entstehen.

Homogene Keimbildung erfordert eine extreme Übersättigung mit Wasserdampf, Bedingungen, die zuvor nur in seltenen Situationen wie auf der Venus oder in den oberen Schichten der Erdatmosphäre für möglich gehalten wurden. Überraschenderweise kann der Mars diese Bedingungen aufgrund der einzigartigen Wechselwirkung zwischen der Topographie des Arsia Mons und der dünnen Atmosphäre des Planeten erreichen. Die 19 Kilometer hohe Erhebung des Vulkans wirkt als gigantische aerodynamische Barriere: Winde zwingen feuchte Luft nach oben, kühlen sie innerhalb von zehn Minuten um 30 °C ab und erhöhen die relative Luftfeuchtigkeit auf Werte, bei denen sich Eis von selbst kristallisiert.

"Die exotische Physik der homogenen Keimbildung war entscheidend, um AMEC in unseren Modellen zu reproduzieren", erklärte Jorge Hernandez-Bernal, der Erstautor der Studie. Obwohl das Modell nicht alle Aspekte des Verhaltens der Wolke perfekt vorhersagen kann, zeigt es überzeugend, dass sich die Wolke ohne diesen Prozess nicht bilden würde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Mars zuvor nicht anerkannte Extremwerte der Luftfeuchtigkeit erreichen kann.

Die Mars Express-Mission der Europäischen Weltraumorganisation spielte eine entscheidende Rolle bei der Beobachtung von AMEC über mehrere Jahre. Die hochauflösenden zeitlichen Daten von Mars Express lieferten einen beispiellosen detaillierten Einblick in die Bildung und Auflösung der Wolke, wodurch sie ausschlaggebend für die Lösung des Rätsels war.

Diese Entdeckung hat weitreichende Implikationen über den Mars hinaus. Sie legt nahe, dass atmosphärische Phänomene auf anderen Planeten unter physikalischen Prinzipien ablaufen können, die auf der Erde typischerweise nicht beobachtet oder erwartet werden. Wie Colin Wilson, Wissenschaftler des Mars Express-Projekts, zusammenfasste: „Das Verständnis dieser exotischen Marswolke erforderte exotische Physik, und ähnliche Prinzipien könnten auf Atmosphären anderer Planeten anwendbar sein.“