Wie der Mars Wasser verliert - eine Simulationsstudie

Wenn der Sommer auf der südlichen Marshalbkugel kommt, öffnet sich in seiner Atmosphäre ein „Fenster“, durch das Wasserdampf von den unteren Schichten der Gashülle des Planeten zur oberen aufsteigen kann.

Die Winde transportieren den größten Teil dieses Wasserdampfs zum Nordpol des Mars, wo er sich in Form von Eis an der Oberfläche absetzt. Eine gewisse Menge Wasserdampf zerfällt jedoch und verschwindet im Weltraum, wodurch der rote Planet allmählich der Wasserreserven beraubt wird.




Eine Gruppe von Wissenschaftlern (Dmitri Shaposhnikov, Alexander Medwedew, Alexander Rodin und Paul Hartog) vom Moskauer Institut für Physik und Technologie (Moskauer Institut für Physik und Technologie, Russland), dem Weltraumforschungsinstitut der Russischen Akademie der Wissenschaften (Russland) und dem nach ihm benannten Forschungsinstitut für das Sonnensystem Max Planck (Deutschland) beschrieb diesen ungewöhnlichen Marszyklus und die Freisetzung eines Teils des Wasserdampfs in den Weltraum in ihrer Studie, die in der Zeitschrift Geophysical Research Letters vorgestellt wurde .



Laut Wissenschaftlern war der Mars vor vielen Millionen Jahren reich an Ozeanen, Meeren und anderen Wasserquellen. Während dieser langen Zeit arbeitete jedoch eine eigenartige natürliche „Pumpe“ in der oberen Marsatmosphäre, mit deren Hilfe der rote Planet dehydriert wurde. Bis heute verbleiben etwa 20% der ursprünglichen Wassermenge auf der Oberfläche des Planeten.

In ihrer Studie haben Wissenschaftler ein Modell des Prozesses des Wasserverlusts durch den Mars nachgebildet und festgestellt, dass dieser Mechanismus weiterhin funktioniert und seine Funktionalität einer Pumpe ähnelt. Die Computermodellierung dieses Mechanismus zeigt, wie Wasserdampf die Barriere der kalten Luft in der mittleren Marsatmosphäre überwindet und höhere Schichten erreicht. Dies wird laut den Autoren der wissenschaftlichen Arbeit helfen zu verstehen, warum der Mars im Gegensatz zur Erde den größten Teil seines Wassers verloren hat.



Zusammenfassung der Studie

Vor Millionen von Jahren war der Mars ein Planet mit einer riesigen Wasseroberfläche, auf der Flüsse flossen und sogar Ozeane tobten. Aber die Zeit verging und der natürliche Mechanismus auf dem Planeten reduzierte langsam die Wasserreserven und veränderte die Marsoberfläche bis zur Unkenntlichkeit erheblich.

Heute gibt es auf der Marsoberfläche nur sehr wenige Gebiete mit gefrorenem Wasser, und in der Atmosphäre kommt Wasserdampf nur in Spuren vor. So hat der Mars derzeit möglicherweise mindestens 80 Prozent seiner Wasserversorgung verloren.

Der Grund für einen solchen globalen, aber auch langfristigen Wasserverlust ist, dass in den oberen Schichten der Marsatmosphäre durch ultraviolette Sonnenstrahlung Wassermoleküle in Wasserstoff (H) und Hydroxylradikale (OH) zerlegt werden. Und bereits nach diesem Prozess kommt es zu einer unwiederbringlichen Verflüchtigung von Wasserstoff in den Weltraum.

Messungen mit wissenschaftlichen Sonden in der Umlaufbahn des Mars und Weltraumteleskopen zeigen, dass sich der Wasserdampf auf dem Mars auch derzeit noch spaltet und den Planeten auf diese Weise verlässt.

Aber wie und warum war das möglich?

In der Tat sollte die mittlere Schicht der Marsatmosphäre in Analogie zur Tropopause auf der Erde ein solches Auslaufen von Wasserstoff praktisch blockieren, da es auf der Höhe dieser Schicht normalerweise bereits so kalt ist, dass Wasserdampf zu Eis wird.

Um eine Antwort auf diese Frage zu erhalten, führten russische und deutsche Forscher eine Simulation durch, die einen bisher unbekannten Mechanismus enthüllte, der einer Pumpe ähnelt.

In ihrer Simulation werden die Strömungen in der gesamten Marsatmosphäre umfassend beschrieben: von der Oberfläche des Planeten bis zu den Schichten in 160 Kilometern Höhe.

Berechnungen zeigen, dass die eisige Mittelschicht der Gasschale zweimal täglich wasserdampfdurchlässig wird, jedoch nur an einem bestimmten Ort auf dem Planeten und zu einer bestimmten Jahreszeit (an einem bestimmten Punkt in der Umlaufbahn).

Die Umlaufbahn des Mars spielt dabei eine entscheidende Rolle: Der Weg des Planeten um die Sonne, der etwa zwei Erdjahre dauert, ist viel elliptischer als der der Erde.

An dem Punkt, der der Sonne am nächsten liegt (ungefähr zeitgleich mit dem Sommer auf der südlichen Hemisphäre), ist der Mars ungefähr 42 Millionen Kilometer näher als am entferntesten Punkt der Umlaufbahn, sodass der Sommer auf der südlichen Hemisphäre merklich wärmer ist als auf der nördlichen.









Wenn der Sommer auf der südlichen Marshalbkugel kommt, kann zu bestimmten Tageszeiten Wasserdampf mit wärmeren Luftmassen lokal aufsteigen und die obere Atmosphäre erreichen.

Dort transportieren Luftströmungen Gas zum Nordpol, wo es sich wieder abkühlt und absetzt. Ein Teil des Wasserdampfs ist jedoch von diesem Kreislauf ausgeschlossen: Unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung zerfallen Wassermoleküle und Wasserstoff entweicht in den Weltraum.

Dieser ungewöhnliche Wasserkreislauf wird durch ein weiteres Merkmal des Mars verstärkt - riesige Staubstürme, die den gesamten Mars im Abstand von mehreren Jahren überspannen.

Eine gigantische Menge Staub, die während eines solchen Sturms in der Atmosphäre zirkuliert, erleichtert den Transport von Wasserdampf in die obere Atmosphäre.

Das letzte Mal, als solche Staubstürme 2007 und 2018 auf dem Mars auftraten, wurden sie auch durch Orbitalsonden umfassend dokumentiert.



Wissenschaftler schätzen, dass während des Staubsturms 2007 doppelt so viel Wasserdampf in die obere Marsatmosphäre freigesetzt wurde wie in ruhigen Zeiten für den Planeten.

Da Staubpartikel Sonnenlicht absorbieren und so erwärmen, steigt die Temperatur der Atmosphäre auf dem Mars.

Von Wissenschaftlern des MIPT und des Instituts erhalten. Das Max-Planck-Modell mit beispielloser Genauigkeit zeigt, wie Staub in der Atmosphäre die mikrophysikalischen Prozesse beeinflusst, die mit der Umwandlung von Eis in Wasserdampf verbunden sind.

Grafiken und Anwendungen für Forschungsarbeiten:

Abbildung 1. Vertikaler Dampfstrom



Abbildung 1. Saisonale Breitengradschwankungen des zonengemittelten vertikalen Wasserdampfstroms, modelliert anhand gemittelter Daten zur Staubmenge in der Atmosphäre in verschiedenen Höhen: 0, 30, 60, 90, 120 und 150 km. Positive Werte (aufsteigende Flüsse) werden rot angezeigt, negative (absteigende) Flüsse werden blau angezeigt.







Daher werden uns die Daten hauptsächlich im Intervall zwischen Ls = 250◦ und 270◦ interessieren.

Das Entweichen von Wasserstoffatomen in den Raum nahe der Exobase variiert um eine Größenordnung von
Größe saisonal, Maximierung um die südliche Sommersonnenwende (Sonnenlänge Ls ≈
270◦)

Die Bezeichnungen in Abbildung 1 und die folgenden Abbildungen:

ppmv (Volumenteile pro Million) ist eine Konzentrationseinheit in Volumenteilen pro Million;

Wasserdampf - Wasserdampf;

Höhe - Höhe;

Breitengrad - Breitengrad;

Ls ist die solare Länge;

MY28 - Marsjahr 28 (Messungen während des 28. Marsjahres);

Grundlegendes Staubszenario (gemittelte Daten zur Staubmenge in der Atmosphäre (basierend auf Daten der MAVEN-Mars-Sonde (Marsatmosphäre und flüchtige Entwicklung), des automatischen Hubble-Observatoriums und des Satelliten Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - vom Gerät Mars Climate Sounder (MCS), PFS-Instrument - MEX (Planetary Fourier Spectrometer an Bord von Mars Express), Mars Global Surveyor);

Staubsturm (Staubsturm) - Es wurden Daten zur Staubmenge in der Atmosphäre im Staubsturm MY28 verwendet.

Abbildung 2. Konzentration und Temperatur des Wasserdampfs



Abbildung 2. Konzentration und Temperatur von Wasserdampf in Höhe und Breite, modelliert anhand gemittelter Daten zur Staubmenge in der Atmosphäre (Diagramme in der Spalte links) und im Jahr des Staubsturms MY28 (Diagramme in der Spalte rechts), werden alle Felder über Zonen und für den Zeitraum gemittelt zwischen Ls = 250◦ und 270◦, wobei:

a) Wasserdampf (dunkle Konturen), Wassereis (weiße Konturen) und meridionaler Wasserdampfstrom (Linien mit Pfeilen, deren Farbe und Dicke die vertikale Richtung bzw. ppmv angeben);



(b) das gleiche wie in (a), jedoch für einen Staubsturm während MY28;



(c) ein Diagramm mit der Temperatur des Wasserflusses für das "Haupt" -Staubszenario;



(d) wie in (c), jedoch für das Staubsturmszenario während MY28, mit Ausnahme der Konturlinien, die den Temperaturunterschied zwischen (d) und (c) anzeigen.



Es ist zu sehen, dass während Stürmen die Konzentration von Wasserdampf in den oberen Schichten größer und ihre Temperatur höher ist.

Abbildung 3. Die Konzentration von Wasserdampf in verschiedenen Höhen und zu verschiedenen Zeiten des Mars.

Sol ist ein Mars-Tag. Sie sind etwas länger als irdisch und machen 24 Stunden, 39 Minuten, 35.244 Sekunden. Das Jahr auf dem Mars entspricht 669,56 "Solam" oder 686,94 Erdentagen.



Abbildung 3. Höhen-Zeit-Verteilung der Abweichungen vom Durchschnittswert für die Konzentration von Wasserdampf (Farbschattierungen ppmv) und die vertikale Geschwindigkeit (auf den Konturen, Werte in m / s) gemäß Daten für den Zeitraum zwischen Ls = 250◦ und 270◦ (Messkoordinaten - Lat 75S. Lon 0).

Positive Werte der Vertikalgeschwindigkeit entsprechen Aufwärtsbewegungen.

(a) Hauptstaubszenario:



(b) das gleiche wie in (a), jedoch für einen Staubsturm während MY28:



Wie Sie sehen können, gibt es in der zweiten Grafik in den oberen Schichten mehr Fenster mit einer hohen Konzentration an Wasserdampf mit einer positiven vertikalen Geschwindigkeit, die aufsteigende Strömungen weiter in den Weltraum bilden.

Abbildung 4. Jährlicher Wasserkreislauf.



Abbildung 4. Die vertikale Verteilung des Gesamtwassergehalts (Dampf + Eis):
(a) und (c) - Tag und Nacht gemäß dem auf dem Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) -Gerät installierten Mars Climate Sounder (MCS) -Gerät;





(b) und (d) - Tag und Nacht gemäß den Daten aus der Simulation in der Studie.





In den Grafiken von Abbildung 4 oben:

- am Nachmittag - dies ist nach den Daten um 15:00 Uhr zur Marszeit;

- nachts - dies ist nach den Daten um 03:00 Uhr Marszeit.

In allen Diagrammen von 4 wurden Werte in Längen- und Breitengrad gemittelt.

Bei der Datenverarbeitung während der Simulation wurde die Mittelung über Ortszeiten in den Zeiträumen 14: 00–16: 00 und 02: 00–04: 00 durchgeführt.

Zum Abschluss ihrer Forschungsarbeiten kommen die Autoren zu dem Schluss, dass die Marsatmosphäre für Wasserdampf durchlässiger als für Erddampf ist und der offene saisonale Wasserkreislauf wesentlich zur weiteren Funktionsweise des natürlichen Mechanismus des Wasserdampfverlusts durch den Mars beiträgt.