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Plasmawellen der Sonne entreißen dem Mars seine Atmosphäre
Der Sonnenwind kann die obere Marsatmosphäre in großen Plasmawolken ins All reißen. Messungen zweier Raumsonden zeigen, dass Kelvin-Helmholtz-Wellen solche Wolken erzeugen und darin lokal 10- bis 100-mal höhere Ionenflüsse auftreten als in typischen dauerhaften Verlustkanälen. Wie groß ihr Anteil am gesamten Atmosphärenverlust ist, bleibt allerdings offen.
Boston (U.S.A.). Der Mars besaß in seiner Frühzeit wahrscheinlich eine dichtere Atmosphäre und flüssiges Wasser an der Oberfläche, doch heute ist seine Gashülle dünn und dem Planeten fehlt ein starkes globales Magnetfeld, das den Sonnenwind weiträumig ablenken könnte. Dadurch kann der Strom geladener Teilchen aus der Sonne direkt mit der oberen Marsatmosphäre wechselwirken und Teilchen in den Weltraum befördern.
Forscher der Boston University (BU) um Dr. Chi Zhang haben nun einen bislang schwer einzuordnenden Verlustweg genauer untersucht. Dabei geht es um große Plasmawolken aus planetaren Ionen, die bereits früher von der NASA-Sonde Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) beobachtet worden waren, deren Ursprung aber offenblieb. Unklar war, ob solche Wolken durch Schwankungen des ankommenden Sonnenwinds entstehen oder direkt an der Grenzschicht der Marsatmosphäre gebildet werden.
„Der Mars könnte einst potenziell bewohnbar gewesen sein, mit einer dichteren Atmosphäre und flüssigem Wasser an der Oberfläche. Zu verstehen, wie er zu dem kalten, trockenen Planeten wurde, den wir heute sehen, ist wichtig, um nachzuvollziehen, wie sich planetare Umgebungen im Laufe der Zeit entwickeln“, erklärt Dr. Chi Zhang.
Für ihre Analyse kombinierten die Wissenschaftler Messungen von MAVEN mit Daten des chinesischen Orbiters Tianwen-1, der vor dem Mars zeitweise den ungestörten Sonnenwind und dessen Magnetfeld in Echtzeit erfasste. MAVEN konnte gleichzeitig näher am Planeten die ausströmenden Sauerstoffionen, Protonenströmungen und Magnetfelder messen, wodurch sich äußere Störungen des Sonnenwinds von Strukturen unterscheiden ließen, die in der Marsumgebung selbst entstanden.
Die Daten sprechen für eine Kelvin-Helmholtz-Instabilität als Ursache, die entsteht, wenn zwei Strömungen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander vorbeigleiten. Ähnlich wie Wind Wellen auf einer Wasseroberfläche anregen kann, wächst an der Grenzschicht zwischen Sonnenwind und planetarem Plasma eine wellenförmige Störung, die im nichtlinearen Stadium Wirbel und abgelöste Plasmawolken bilden kann.
Für den Zeitraum von Dezember 2021 bis Dezember 2023 identifizierte das Team 62 solcher Ereignisse, davon 46 als quasiperiodische Folgen und 16 als einzelne Plasmawolken. In einem Beispiel vom 31. Juli 2023 registrierte MAVEN innerhalb von rund 35 Minuten wiederholt Übergänge zwischen Sonnenwindplasma und planetaren Schwerionen, wobei die Geschwindigkeits- und Magnetfeldmuster den für nichtlineare Kelvin-Helmholtz-Wellen erwarteten Wirbelstrukturen entsprachen.
Auffällig ist ihre räumliche Verteilung, denn die Plasmawolken lagen vor allem nahe der Tag-Nacht-Grenze und auf der Nachtseite des Mars. Sämtliche 62 Ereignisse wurden zudem in derselben Hemisphäre relativ zum elektrischen Feld des Sonnenwinds gefunden, wo Magnetfeldorientierung und Geschwindigkeitsscherung nach der Analyse besonders günstig für das Wachstum der Instabilität sind.
„Stattdessen wird sie hauptsächlich auf einer Seite des Planeten beobachtet, abhängig von der Richtung des elektrischen Feldes des Sonnenwinds“, sagt Dr. Chi Zhang.
Die zwei Messpunkte erlaubten außerdem erstmals direkte Größenbeschränkungen, denn in einem Fall waren MAVEN und Tianwen-1 nur 0,56 Marsradien voneinander entfernt, also rund 1.900 Kilometer. MAVEN registrierte eine einzelne Plasmawolke, Tianwen-1 dagegen nicht, sodass mindestens manche dieser Strukturen kleiner als etwa 2.000 Kilometer und damit deutlich kompakter als frühere Abschätzungen aus Einzelsonden-Messungen sind.