Wissenschaftler kartierten zum ersten Mal die globalen Windmuster auf dem Mars

Vor kurzem wurde in einem in Science veröffentlichten Artikel erstmals die globalen Wind- Zirkulationsmuster in der oberen Atmosphäre eines Planeten, in einer Höhe von 120 bis 300 Kilometer über der Oberfläche dokumentiert. Die Ergebnisse basieren auf lokalen Beobachtungen und nicht auf indirekten Messungen, im Gegensatz zu vielen früheren Messungen an der oberen Erdatmosphäre. Aber es geschah nicht auf der Erde, sondern auf dem Mars. Darüber hinaus stammten die Daten von einem Instrument und einer Raumsonde, die ursprünglich nicht für die Erfassung von Windmessungen ausgelegt waren.

2016 schlugen Mehdi Benna und seine Kollegen dem Projektteam von der Raumsonde Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) vor, die Raumsonde und ihr Neutralgas- und Ionen- Massenspektrometer (NGIMS) für ein einzigartiges Experiment aus der Ferne umzuprogrammieren. Sie wollten herausfinden, ob Teile des Instruments, die normalerweise stationär sind, wie ein Scheibenwischer schnell genug hin und her schwingen können, damit das Tool eine bestimmte Art von Daten erfassen kann.

Anfangs zögerte das MAVEN-Projektteam, die von Benna und seinen Kollegen gewünschten Änderungen umzusetzen. Immerhin umkreisten MAVEN und NGIMS seit 2013 den Mars und sammelten ziemlich erfolgreich Informationen über die Zusammensetzung der Marsatmosphäre. Warum das alles aufs Spiel setzen? Benna und seine Kollegen argumentierten, dass dieses Projekt neue Arten von Daten sammeln würde, die unser Verständnis über die obere Atmosphäre des Mars prägen würde. Ähnliche Studien auf der Erde könnten uns helfen, das planetare Klima besser zu verstehen.

Benna, ein Planetenforscher, der mit dem Goddard Space Flight Center und mit dem UMBC Center for Space Sciences Technology (CSST) zusammenarbeitet, kam auf die Idee, Scheibenwischer einzusetzen und überlegte, wie ein Instrument erstellt werden könnte, mit dem Informationen über globale Zirkulationsmuster in der oberen Erdatmosphäre gesammelt werden könnten. Ihm kam der Gedanke, dass MAVEN und NGIMS auf dem Mars dasselbe tun könnten – und sie befanden sich ja bereits im Weltraum.

Mit einiger Beharrlichkeit und vielen vorläufigen Analysen überzeugten Benna und seine Kollegen die Missionsleitung von MAVEN, ihre Idee auszuprobieren, nachdem der Raumfahrzeug-Hersteller Lockheed Martin herausgefunden hatte, dass Modifikationen möglich sein könnten, ohne den Satelliten zu beschädigen. „Es war eine clevere Neuentwicklung in der Bedienung des Flugs der Raumsonde und des Instruments,“ sagte Benna. „Und indem wir beides taten – die Raumsonde und das Instrument für etwas zu modifizieren, für das sie nicht entwickelt wurden – machten wir die Windmessungen möglich.“

Welleneffekt

Der neue Artikel wurde in Zusammenarbeit mit Yuni Lee, ebenfalls vom CSST der UMBC und Kollegen der University of Michigan, der George Mason University und der NASA fertiggestellt. Es basiert auf Daten, die an zwei Tagen im Monat in den zwei Jahren von 2016 bis 2018 gesammelt worden sind. Einige Ergebnisse hat man erwartet, andere waren große Überraschungen. „Das erfrischende ist, dass die Windmuster, die wir in der oberen Atmosphäre beobachtet haben, global übereinstimmen, was anhand von Modellen vorhergesagt wurde“, sagte Benna. „Die Physik funktioniert.“

Insgesamt waren die durchschnittlichen Zirkulations-Muster auf dem Mars von Saison zu Saison sehr stabil. Das wäre so, als würde man sagen, dass an der Ostküste der Vereinigten Staaten das ganze Jahr über Wettersysteme in vorhersehbarer Weise vom Westen nach Osten fließen würden.

Eine Überraschung war, als das Team die kurzfristige Variabilität der Winde in der oberen Atmosphäre analysierte, die größer als erwartet war. „Auf dem Mars ist die durchschnittliche Zirkulation konstant, aber wenn man zu einem bestimmten Zeitpunkt einen Schnappschuss macht, sind die Winde sehr unterschiedlich“, sagte Benna. Es ist also mehr Arbeit erforderlich um festzustellen, warum diese gegensätzlichen Muster existieren.

Eine zweite Überraschung war, dass der Wind Hunderte von Kilometern über der Oberfläche des Planeten immer noch Informationen über Landschaftsformen wie Berge, Schluchten und Becken enthielt. Während die Luftmasse über diese Geländeformen strömt, erzeugt sie einen Welleneffekt, der in die obere Atmosphäre fließt und von MAVEN und NGIMS erkannt werden kann, erklärte Benna. „Auf der Erde sehen wir die gleiche Art von Wellen, aber nicht in so großer Höhe. Das war eine große Überraschung, dass diese Effekte bis in eine Höhe von 280 Kilometern reichen können.“

Benna und Kollegen haben zwei Hypothesen, warum die als die als „orthographische Wellen“ bezeichneten Wellen so lange unverändert bleiben. Zum einen ist die Atmosphäre auf dem Mars viel dünner als auf der Erde, sodass sich die Wellen ungehindert weiter ausbreiten können, wie z. B. Wellen, sie sich im Wasser weiter ausbreiten als in Melasse. Außerdem ist die durchschnittliche Differenz zwischen geografischen Gipfeln und Tälern auf dem Mars viel größer als auf der Erde. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Berge auf dem Mars eine Höhe von 20 Kilometern haben. Der Mt. Everest ist nicht ganz neun Kilometer hoch und die meisten der terrestrischen Berge sind viel niedriger.

„Die Topographie des Mars treibt den Welleneffekt stärker an als auf der Erde“, sagte Benna.

Die Daten dieser Studie weiter zu analysieren könnte möglicherweise helfen herauszufinden, ob in der oberen Erdatmosphäre dieselben grundlegenden Prozesse ablaufen. „Ironischerweise mussten wir diese Messungen auf dem Mars vornehmen, um schließlich das gleiche Phänomen auf der Erde zu verstehen“, sagte Benna. „Letztendlich werden die Ergebnisse uns helfen, das Klima des Mars zu verstehen. Wie ist der Zustand jetzt und wie wird es sich entwickeln?“

Das Team ist jedoch mit dem aktuellen Datensatz noch nicht zufrieden. „Wir wollen weiter messen. Wir haben Daten aus zwei Jahren, aber wir hören damit nicht auf“, sagte Benna. „Sogar mit dem Datensatz, den wir bereits haben, haben wir viele Jahr an Modellierung und Analyse vor uns. Es ist eine Fülle von Informationen, die auf derzeit noch nicht vorstellbare Weise untersucht werden können, um noch mehr über die Funktionsweise von Planeten zu erfahren.“

18. Dezember 2019/SP
Verein Kuffner-Sternwarte