Die NASA hat ein neues Video erstellt, um die Untersuchung dramatischer Klimaveränderungen auf dem Mars durch die Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) Mission zu veranschaulichen. Heute ist der Mars eine kalte und trockene Wüstenwelt ohne Anzeichen für Leben, zumindest auf der Oberfläche. Vor Milliarden Jahren, als der Rote Planet jung war, schien er allerdings eine dichte Atmosphäre besessen zu haben und warm genug gewesen zu sein, um Ozeane aus flüssigem Wasser zu beherbergen – eine entscheidende Voraussetzung für Leben.
Aufgrund des geringen Atmosphärendrucks und der Oberflächentemperaturen kann flüssiges Wasser heute nicht lange auf der Marsoberfläche existieren. Laut Joseph Grebowsky vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) gibt es aber Belege für Bäche mit einer Flüssigkeit, die möglicherweise aus einer salzigen Lösung mit reduziertem Gefrierpunkt besteht. Unter den derzeitigen atmosphärischen Bedingungen kann Wasser auf dem Mars als Eis vorkommen oder direkt in Dampf sublimieren, ohne in einer flüssigen Phase zu verweilen. Grebowsky ist der Projektwissenschaftler für die Mission.
Das Video zeigt, wie sich die Marsoberfläche während dieser frühzeitlichen, milden Periode präsentiert haben könnte und beginnt mit einem Überflug eines Sees auf dem Mars. Die künstlerische Darstellung basiert auf Hinweisen darauf, dass der Mars einst ganz anders war.
Grebowsky zufolge sprechen Oberflächenstrukturen und mineralische Zusammensetzungen dafür, dass der frühzeitliche Mars eine dichtere Atmosphäre und flüssiges Wasser auf seiner Oberfläche besaß. “Es gibt charakteristische, dendritische, strukturierte Kanäle, die – wie auf der Erde – mit Oberflächenerosion durch Wasserströme vereinbar sind. Im Inneren einiger Einschlagkrater gibt es Becken, die auf Kraterseen hindeuten, wobei viele Krater miteinander verbundene Kanäle aufweisen, die mit Wasserströmen in den Krater hinein und aus ihm heraus übereinstimmen. Kleine Einschlagkrater wurden mit der Zeit ausradiert und größere zeigen Anzeichen für Wassererosion vor 3,7 Milliarden Jahren. Und an Talwänden kann Sedimentschichtung beobachtet werden. Auf der Oberfläche sind Minerale präsent, die nur durch die Anwesenheit von flüssigem Wasser erzeugt worden sein können, beispielsweise Hematit und Ton”, sagte Grebowsky.
Laut Grebowsky haben Schätzungen der Wassermenge, die für die Erklärung dieser Strukturen erforderlich wäre, ergeben, dass sie möglicherweise einer planetenweiten, 500 Meter dicken Schicht oder mehr entsprach. Falls in der Vergangenheit flüssiges Wasser auf der Marsoberfläche existierte, dann hätte die Atmosphäre ein anderes, wärmeres Klima und einen Druck haben müssen, der mit dem irdischen Luftdruck auf der Erdoberfläche vergleichbar oder etwas höher war.
Video-Link: https://youtu.be/EeqaR1mTWds
Video-Animation des urzeitlichen Mars mit einem wärmeren Klima und seiner Verwandlung in einen trockenen Wüstenplaneten. (Michael Lentz / NASA Goddard Conceptual Image Lab)
In dem Video sind schnell ziehende Wolken zu sehen, um den Zeitablauf zu verdeutlichen und es zeigt den Wandel von einem warmen und feuchten zu einem kalten und trockenen Klima. Die Seen trocknen aus und gefrieren, während die Atmosphäre langsam von einem blauen, erdähnlichen Himmel in die staubigen, rosa und hellbraunen Farbtöne übergeht, die wir heute auf dem Mars beobachten.
Es ist nicht bekannt, ob das habitable Klima auf dem Mars lange genug andauerte, damit Leben entstehen konnte. “Der einzige direkte Beweis für Leben in der Frühgeschichte einer planetaren Entwicklung ist jenes auf der Erde”, sagte Grebowsky. “Der früheste Hinweis auf irdisches Leben ist die organisch-chemische Struktur eines Felsens, der in Grönland gefunden wurde. Man nimmt an, dass die Oberfläche dort einst ein urzeitliches Meeresbodensediment war. Das Alter des Steins wurde auf 3,8 Milliarden Jahre geschätzt – 700 Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde. Aus dieser Zeitperiode wurden bislang keine fossilen Belege für Leben entdeckt. Die ältesten Mikrofossilien, gefunden in Western Australia, sind etwa 3,5 Milliarden Jahre alt.
Die Existenz eines potenziellen, Leben begünstigenden Klimas auf dem Mars endete ungefähr zu dieser Zeit. Ein Vergleich zwischen den Geschichten des Lebens auf den beiden Planeten muss mit Vorsicht durchgeführt werden. Der Grund dafür sind die verschiedenen chemischen Zusammensetzungen der Oberflächen und die unterschiedliche Geschichte bezüglich vulkanischer Aktivitäten und Einschläge von Meteoroiden. Die Chemie auf dem Mars könnte früher beispielsweise förderlicher gewesen sein als auf der Erde. Auch könnte die Geschichte des Lebens auf den beiden Planeten möglicherweise nicht kontinuierlich verlaufen sein. Katastrophale Ereignisse könnten zu einem Zeitpunkt alles Leben ausgelöscht haben, um neues Leben entstehen zu lassen.”
Das Video endet mit einer Illustration des MAVEN-Orbiters in der Umlaufbahn um den heutigen Mars. MAVEN wird erforschen, wie der Mars seine Atmosphäre verlor. Der Start ist für den November geplant und MAVEN soll den Mars im September 2014 erreichen.
Es gibt mehrere Theorien darüber, wie der Mars seiner dichten Atmosphäre beraubt wurde. “Hydrodynamische Ausströmungen und Auswurf eines massiven Asteroideneinschlags während des Großen Bombardements (vor 4,1-3,8 Milliarden Jahren) waren erste Prozesse, die Teile der Atmosphäre beseitigt haben, aber sie waren keine bedeutenden Prozesse in der Zeit danach”, sagte Grebowsky. “Die führende Theorie ist, dass der Mars sein inneres Magnetfeld verlor, das die Atmosphäre vor der direkten Erosion durch den Einfluss des Sonnenwinds schützte.”
Der Sonnenwind ist ein dünner Strom aus elektrisch geladenen Teilchen (Plasma) der von der Sonnte ständig in den Weltraum geblasen wird und sich mit etwa 1,6 Millionen Kilometern pro Stunde fortbewegt. “Die Wechselwirkungen der Atmosphäre mit dem Sonnenwind führen zum Entweichen der Atmosphäre durch das Herauslösen von Atomen und Molekülen (Sputtern), durch elektromagnetisch induzierten Verlust der ionosphärischen Teilchen des Planeten, durch direktes Entkommen von heißen Plasmapartikeln oder durch chemische Prozesse, die Atome mit Fluchtgeschwindigkeiten produzieren”, sagte Grebowsky.
“Untersuchungen der Verteilung des restlichen Magnetfeldes, gemessen von der Mars Global Surveyor Mission der NASA, datieren das Verschwinden des durch Konvektion erzeugten globalen Magnetfeldes auf einen Zeitpunkt vor etwa 3,7 Milliarden Jahren. Dadurch blieb der Rote Planet anfällig für den Sonnenwind zurück”, ergänzte Grebowsky.
“MAVEN wurde entworfen, um die Entweichraten für alle zutreffenden Prozesse zu messen und wird imstande sein, den wichtigsten Prozess zu identifizieren”, sagte Grebowsky. Die Mission wird auch mit anderen Missionen zusammenarbeiten, um die einstige Bewohnbarkeit des Mars zu erforschen. “Vorherige Beobachtungen von umkreisenden Raumsonden haben die geologischen Strukturen gezeigt, die verwendet wurden, um die ehemals vorhandene Wassermenge abzuschätzen. Sie haben auch die globale Verteilung des Wassereises und der Oberflächenbeschaffenheit analysiert, um schlusszufolgern, dass das Wasser mit der Zeit verloren ging.
Der Marsrover Curiosity hat die Fähigkeit, die chemische Zusammensetzung der festen Oberfläche zu analysieren. Sie enthält Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre während der Entstehungszeit des Planeten, insbesondere über die Isotopenverhältnisse, die Zusammensetzung der unteren Atmosphäre und den derzeitigen Gasaustausch mit Reservoiren auf der Oberfläche. MAVEN wird die aktuellen Verlustraten und die maßgeblichen Prozesse bestimmen. Mit den Informationen über die untere Atmosphäre und die Natur der Entweichprozesse kann man aus den aktuellen Bedingungen das Klima der Vergangenheit extrapolieren”, sagte Grebowsky.
Das Video ist eine der komplexesten Animationen, die jemals vom Conceptual Image Lab der NASA am Goddard Space Flight Center produziert wurden. “In dem Video ist eine Menge los”, sagte Michael Lentz von der Universities Space Research Association, der leitende Animator des Projekts. “Wir haben Wolken im Zeitraffer; die Atmosphäre und das Gelände verändern sich und das Wasser verdampft.”
Das unglaublich detaillierte Gelände trägt zu der Komplexität bei. Lentz zufolge wurden fast drei Milliarden Polygone (die grundlegenden Bausteine computergenerierter Landschaften) verwendet – verglichen mit hunderten oder tausenden für eine normale Animation. “Wir nutzten auch ein breites Cinemascope-Seitenverhältnis, um die Landschaft besser zu präsentieren. All das hat verheerende Folgen auf das Computersystem, wenn man herauszufinden versucht, wie man es rendern soll.”
“Rendering ist der Prozess, in dem ein Computer berechnet, wie er eine Szene darstellen soll, und Dinge wie das Vorhandensein von Wasser steigern die Komplexität der Berechnungen immens. Der Computer muss berechnen, wie das Licht auf das Wasser trifft, wie es von dem Wasser reflektiert wird, wie es Objekte unter Wasser verzerrt und wie es durch das Wasser gebrochen wird. Wir machten auch von der globalen Beleuchtung Gebrauch – das ist eine Technik, um sehr realistische Außenlichtverhältnisse zu erhalten, so dass man keine intensiven, scharfen, schwarzen Schatten hat. Es gibt viele Reflexionen. Wenn man also Sonnenlicht hat, das auf eine Seite eines Canyons trifft, dann wird das Licht auf die andere Seite reflektiert, so dass man dort nicht nur einen schwarzen Schatten sieht. Stattdessen erkennt man ein bisschen der Farbe jenes Wandteils, von wo aus das Licht reflektiert wird”, sagte Lentz.
Um die Animation zu vervollständigen, erweiterte das Team seine vorhandene “Render-Farm” – ein Computernetzwerk – mit außer Dienst gestellten Supercomputern. “Das NASA Center for Climate Simulation liegt über unserem Labor und sie rüsten ihre Supercomputer regelmäßig auf. Wir bekamen ihre alten Maschinen und dank dieses komplexen MAVEN-Videoprojekts haben wir jetzt diese neue Möglichkeit, ultrahoch aufgelöste (4K) Animationen zu einem Bruchteil der Kosten von neuen Maschinen zu erschaffen”, sagte Lentz.
“Trotz all der harten Arbeit damit war es ein spaßiges Vorhaben”, sagte Lentz. “Es war wirklich toll, mit Bruce Jakosky, dem leitenden Wissenschaftler des MAVEN-Projekts, zusammenzuarbeiten, mit ihm darüber zu sprechen, was MAVEN tun wird, und zu visualisieren, wie der Mars mit fließendem Wasser auf der Oberfläche und solchen Dingen ausgesehen haben könnte. Ihn darüber sprechen zu hören und zu sehen, wie aufgeregt er wegen des MAVEN-Starts ist, begeisterte mich für die Arbeit für ihn. Jetzt, nachdem ich so lange daran gearbeitet habe, macht es mir große Freude, das Video zu veröffentlichen und es von mehr Leuten anschauen zu lassen. Bis jetzt wurde es nur einer Handvoll Leuten gezeigt, die an dem Projekt beteiligt waren.”
MAVENs leitender Wissenschaftler arbeitet am Laboratory for Atmospheric and Space Physics der University of Colorado in Boulder. Die Universität liefert wissenschaftliche Instrumente und leitet die wissenschaftlichen Operationen, Bildungs- und Öffentlichkeitsarbeit. Das Goddard Space Flight Center leitet das Projekt und stellt zwei der wissenschaftlichen Instrumente für die Mission zur Verfügung. Lockheed Martin konstruierte die Raumsonde und ist verantwortlich für die Operationen der Mission. Das Space Sciences Laboratory der University of California in Berkeley stellt ebenfalls wissenschaftliche Instrumente für die Mission bereit. Das Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (Kalifornien) liefert Unterstützung für die Navigation, das Deep Space Network und die Electra Telekommunikationshardware.
(THK)
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