ExoMars entdeckt einzigartiges grünes Leuchten auf dem Roten Planeten

Der ExoMars Trace Gas Orbiter der ESA hat leuchtenden grünen Sauerstoff in der Marsatmosphäre entdeckt – das erste Mal, dass diese Emission auf einem anderen Planeten als der Erde beobachtet wurde.

Auf der Erde wird leuchtender Sauerstoff während der Polarlichter erzeugt, wenn energetische Elektronen aus dem interplanetaren Raum auf die obere Atmosphäre treffen. Diese durch Sauerstoff angetriebene Lichtemission verleiht Polarlichtern ihren schönen und charakteristischen grünen Farbton.

Polarlichter sind jedoch nur eine Möglichkeit, bei der Planetenatmosphären aufleuchten. Die Atmosphären von Planeten einschließlich von Erde und Mars, leuchten konstant Tag und Nacht, da das Sonnenlicht mit Atomen und Molekülen in der Atmosphäre interagiert. Tages- und Nachtlichter werden durch leicht unterschiedliche Mechanismen verursacht: Nachtlicht tritt auf, wenn zerbrochene Moleküle rekombinieren, während Tageslicht entsteht, wenn das Sonnenlicht Atome und Moleküle von Stickstoff und Sauerstoff direkt anregt.

Auf der Erde ist das grüne Nachtlicht ziemlich schwach und lässt sich am besten aus einer Rand- Perspektive betrachten – wie viele spektakuläre Bilder zeigen, die von Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) aufgenommen wurden. Diese geringe Lichtstärke kann ein Problem sein, wenn die Forscher auf anderen Planeten danach suchen, da ihre hellen Oberflächen sie überdecken können.

Dieses grüne Leuchten wurde nun zum ersten Mal auf dem Mars vom ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) entdeckt, der seit Oktober 2016 den Mars umkreist.

„Eine der hellsten Emissionen auf der Erde stammt vom Nachtlicht. Genauer gesagt von Sauerstoffatomen, die eine bestimmte Wellenlänge von Licht emittieren, die noch nie auf einem anderen Planeten gesehen wurden“, sagte Jean-Claude Gèrard von der Université de Liège, Belgien, und Hauptautor der neuen Studie, die in Nature Astronomy veröffentlicht wurde.

„Allerdings wird diese Emission auf dem Mars schon seit etwa 40 Jahren vorhergesagt – und dank TGO haben wir sie gefunden.“

Jean-Claude und Kollegen konnten diese Emission mit Hilfe eines speziellen Beobachtungsmodus des TGO aufspüren. Eines der hochentwickelten Instrumente des Orbiters, das als NOMAD (Nadir and Occultation for Mars Discovery) bekannt ist und das ultraviolette und sichtbare Spektrometer (UVIS) einschließt, kann in verschiedenen Konfigurationen beobachten, von denen eine ihre Instrumente so positioniert, dass sie direkt auf die Marsoberfläche zeigen - auch als Nadirkanal bezeichnet.

„Frühere Beobachtungen hatten kein grünes Leuchten auf dem Mars einfangen können. Deshalb haben wir beschlossen, den UVIS-Nadir-Kanal so auszurichten, dass er auf den 'Rand' des Mars zeigt, ähnlich jener Perspektive, wie man sie in Bildern der Erde von der ISS aus sehen kann,“ fügte die Co-Autorin Ann Carine Vandaele vom Institut Royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique, Belgien und Principal Investigator von NOMAD hinzu.

Zwischen dem 24. April und dem 1. Dezember 2019 nutzten Jean-Claude, Ann Carine und Kollegen NOMAD-UVIS um die Marsoberfläche zweimal pro Umlaufbahn in Höhen zwischen 20 und 400 Kilometern abzutasten. Bei der Analyse dieser Datensätze fanden sie die grüne Sauerstoffemission in allen Datensätzen.

„Die Emission war in einer Höhe von etwa 80 Kilometern am stärksten und variierte je nach dem sich ändernden Abstand zwischen Mars und Sonne“, fügte Ann Carine hinzu.

Das Studium vom Leuchten der Planetenatmosphären kann eine Fülle von Informationen über die Zusammensetzung und Dynamik einer Atmosphäre liefern und zeigen, wie Energie sowohl vom Sonnenlicht als auch vom Sonnenwind – dem Strom geladener Teilchen der von unserem Stern ausgeht – abgelagert wird.

Um dieses grüne Leuchten auf dem Mars besser zu verstehen und es mit dem zu vergleichen, was wir auf unserem eigenen Planeten sehen, haben Jean-Claude und Kollegen weitere Untersuchungen angestellt, um heraus zu bekommen wie es entstanden ist.

„Wir haben diese Emission modelliert und festgestellt, dass sie hauptsächlich als Kohlendioxid (CO2) entsteht, das in seine Bestandteile zerlegt wird: Kohlenmonoxid und Sauerstoff“, sagte Jean-Claude. „Wir sahen, dass die entstandenen Sauerstoffatome sowohl im sichtbaren als auch im ultraviolettem Licht leuchten.“

Der gleichzeitige Vergleich dieser beiden Emissionsarten zeigte, dass die sichtbare Emission 16,5 mal intensiver war als die ultraviolette.

„Die Beobachtungen auf dem Mars stimmen mit früheren theoretischen Modellen überein, aber nicht mit dem tatsächlichen Leuchten das wir auf der Erde sehen, wo die sichtbare Emission weitaus schwächer ist“, fügte Jean-Claude hinzu. „Dies deutet darauf hin, dass wir mehr über das Verhalten von Sauerstoffatomen lernen müssen, was für unser Verständnis der Atom- und Quantenphysik von enormer Bedeutung ist.“

Dieses Verständnis ist der Schlüssel zur Charakterisierung der Planetenatmosphäre und verwandter Phänomene – wie Polarlichter. Durch die Entschlüsselung der Struktur und des Verhaltens dieser grün leuchtenden Schicht in der Marsatmosphäre können Wissenschaftler Einblicke in einen Höhenbereich gewinnen, der bisher weitgehend unerforscht geblieben ist und beobachten, wie sich dieser Bereich verändert, wenn sich die Aktivität der Sonne ändert und sich der Mars entlang seiner Umlaufbahn um unsere Sonne bewegt.

„Dies ist das erste Mal, dass diese wichtige Emission auf einem anderen Planeten jenseits der Erde beobachtet wurde und die erste wissenschaftliche Veröffentlichung, die auf Beobachtungen des UVIS-Kanals und des NOMAD-Instruments auf dem ExoMars Trace Gas Orbiter basiert“, betont Håkan Svedhem, ESAs TGO Projektwissenschaftler.

„Es demonstriert die bemerkenswert hohe Empfindlichkeit und optische Qualität des NOMAD-Instruments. Dies gilt insbesondere angesichts der Tatsache, dass diese Studie die Tagesseite des Mars erforscht hat, die viel heller ist als die Nachtseite, was es noch schwieriger macht, diese schwache Emission zu erkennen.“

Die Eigenschaften der Marsatmosphäre zu verstehen ist nicht nur für die Wissenschaft interessant, sondern auch der Schlüssel für die Durchführung der Missionen, die wir zum Roten Planeten senden. Die atmosphärische Dichte wirkt sich beispielsweise direkt auf den Luftwiderstand aus, dem Satelliten bei der Umkreisung ausgesetzt sind, und auf die Fallschirme, mit denen Sonden auf der Marsoberfläche abgesetzt werden.

„Diese Art der Fernerkundungs-Beobachtung in Verbindung mit In-situ-Messungen in höheren Lagen hilft uns vorherzusagen, wie die Marsatmosphäre auf saisonale Veränderungen und Schwankungen der Sonnenaktivität reagieren wird“, fügte Håkan hinzu. „Die Vorhersage von Änderungen in der atmosphärischen Dichte ist besonders wichtig für bevorstehende Missionen, einschließlich der ExoMars 2022 Mission, die einen Rover und eine Oberflächen-Forschungsplattform zur Erkundung der Oberfläche des Roten Planeten entsenden wird.“

Die Entwicklung der Sauerstoffemission in verschiedenen Höhen, beobachtet am Rand der Tagseite mit dem NOMAD/UVIS-Instrument auf dem ExoMars Trace Gas Orbiter der ESA. Credit: Brendan Bowler (UT Austin)