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Forschende haben ein martianisches Rätsel im Labor nachgestellt: Blöcke aus gefrorenem Kohlendioxid scheinen sich durch Sand zu graben und enge Rinnen an Dünenhängen zu schnitzen. Diese auffälligen Landformen – die früher fälschlich als Hinweise auf biologische Aktivität gedeutet wurden – können unter Marsbedingungen durch rasche Sublimation und gasgetriebene Ausblasprozesse entstehen.
When Frozen Carbon Dioxide Becomes a Geological Sculptor
Auf der Erde werden Rinnen und Schläuche an Hängen meist mit fließendem Wasser, Schmelzwasserereignissen oder biologischer Aktivität in Verbindung gebracht. Auf dem Mars übernimmt jedoch ein anderer Akteur die Hauptrolle: saisonaler CO2-Reif. In Experimenten unter der Leitung von Dr. Lonneke Roelofs von der Universität Utrecht, veröffentlicht in Geophysical Research Letters, konnte gezeigt werden, dass feste Kohlendioxidblöcke beim Sublimieren in Sand eingraben, Material verdrängen und talwärts gleiten. Die Sublimation – der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand – erzeugt dabei lokal hohen Gasdruck. Diese Druckzonen blasen Sand weg, sodass sich die Eisblöcke talwärts eingraben und schmale, beiderseits aufgeworfene Rinnen hinterlassen, die denen ähneln, die Orbiter-Kameras wie HiRISE fotografiert haben.
How Sublimation Drives Movement and Erosion
Die dünne Marsatmosphäre und die großen Temperaturschwankungen schaffen Bedingungen, die auf der Erde selten sind. Während des martianischen Winters sammelt sich auf Dünen in bestimmten Regionen der südlichen Hemisphäre CO2-Reif an – Schichten, die bis zu mehreren zehn Zentimetern Dicke erreichen können. Wenn im Frühjahr Sonnenlicht die Dünenoberfläche erwärmt, beginnt die Unterseite abgetrennter CO2-Blöcke rasch zu verdampfen. Gase nehmen erheblich mehr Volumen ein als dieselbe Substanz im festen Zustand; daher führt schnelle Sublimation zu lokalem Druckaufbau unter und um den Block.
„In unserer Simulation konnte ich beobachten, wie dieser hohe Gasdruck den Sand um den Block in alle Richtungen wegsprengt“, erklärt Roelofs. Der Block setzt sich dann in eine Aushöhlung ab und wird bei fortschreitender Sublimation durch Gasjets und die Schwerkraft talwärts geschoben. Das entweichende Gas mobilisiert dabei Sand und bildet auf beiden Seiten der Spur kleine Wallbildungen (Levees), während der Block eine schmale Furche schnitzt. Wird dieser Prozess über viele Dünen und Saisons wiederholt, entstehen verschlungene Rinnennetze, die auf den ersten Blick alarmierend ähnlich zu Spuren lebender Grabetiere aussehen können.
The Laboratory Replay: The Mars Chamber Experiment
Um die Hypothese zu prüfen, verwendeten Roelofs und die Masterstudentin Simone Visschers eine Mars-Simulationskammer an der Open University in Milton Keynes. Die Reise wurde teilweise durch finanzielle Unterstützung der British Society of Geomorphology ermöglicht. In der Kammer rekonstruierten die Forschenden niedrigen Druck, kalte Temperaturen und die granulare Struktur steiler Dünenhänge, die nötig sind, um realistische Wechselwirkungen zwischen CO2-Eisblöcken und Sand zu beobachten.
Sie variierten Neigungswinkel und setzten Meter-große CO2-Blöcke auf modellierte Dünenflächen ab. Nur unter bestimmten Kombinationen von Hangneigung und Substratbedingungen begannen die Blöcke zu graben und zu gleiten. Dabei entstanden enge, geschwungene Kanäle mit kleinen Levees – Morphologien, die den HiRISE-Aufnahmen realer marsianischer Dünen sehr nahe kommen. Die kontrollierte Variation von Parametern erlaubte es, Schwellenwerte zu identifizieren: Bei zu flachen Hängen blieben die Blöcke liegen, bei zu steilen Hängen rutschten sie ohne signifikante Grabwirkung ab; in einem engen Bereich jedoch förderte das Zusammenspiel von Sublimation und Reibung typischen Gully-Aufbau.
Marsdüne mit Rinnen im Russell-Krater. Auf dem Weg talwärts warfen die Eisblöcke Levees auf. Credit: Image taken by HiRISE (PSP_001440_1255_RED), NASA/JPL/University of Arizona
Where Do the Blocks Come From?
Feldbeobachtungen in Kombination mit den Experimenten deuten auf eine saisonale Entstehung hin. Im Winter bildet sich über den Dünenfeldern eine zusammenhängende CO2-Reifdecke, die stellenweise bis zu etwa 70 cm dick werden kann. Im Frühjahr bleiben die letzten Reste bevorzugt an den beschatteten Leeseiten von Dünenkämmen hängen. Mit steigenden Temperaturen schwächen diese Reste und reißen in Blöcke, die sich ablösen und hangabwärts rollen oder gleiten können. Während der Bewegung sorgt anhaltende Sublimation unter dem Block für gasgetriebene Aushubprozesse und seitliche Aufwerfung – die sowohl in Laborversuchen als auch in Orbiter-Bildern beobachteten Levees erklären.
Nachdem das Eis vollständig sublimiert ist, bleibt eine Mulde an der Basis der Düne zurück – ein charakteristisches Merkmal vieler marsianischer Gully-Systeme, wie sie von Orbiterinstrumenten erfasst wurden. Diese Hohlräume dienen zudem als Indikatoren für die vorausgegangene Anwesenheit von CO2-Eisblöcken und helfen, die Chronologie saisonaler Oberflächenprozesse auf dem Mars besser zu verstehen.
Die Versuchsanordnung in der Marskammer vor Beginn des Experiments. Credit: Lonneke Roelofs/Utrecht University
Why This Changes How We Read the Martian Surface
Jahrzehntelang haben Planetenwissenschaftler darüber diskutiert, ob bestimmte Rinnen auf dem Mars auf zeitweiliges flüssiges Wasser, trockene granulare Ströme, CO2-getriebene Schuttströme oder sogar auf biologische Aktivität hindeuten. Der Nachweis, dass sublimierende CO2-Blöcke enge Dünenrinnen erzeugen können, klärt einen Mechanismus, durch den sich der Rote Planet ohne flüssiges Wasser umformt. Er unterstreicht die Bedeutung nicht-irdischer physikalischer Bedingungen – insbesondere des niedrigen Atmosphärendrucks in Kombination mit Phasenübergängen von CO2 – für die Entstehung von Landformen, die erdähnlichen Strukturen ähneln können, aber anders geformt werden.
Diese Einsichten sind wichtig für die Interpretation des Marsklimas und seiner saisonalen Zyklen, für die Bewertung früherer Habitabilitätsbedingungen sowie für die Planung von Rover-Fahrten. Beispielsweise reduziert das Erkennen eines CO2-getriebenen Ursprungs einer Rinne deren Priorität als mögliches ehemaliges Habitat mit Wasser und lenkt gleichzeitig die Aufmerksamkeit auf dynamische Oberflächenprozesse, die die Sicherheit von Landefahrzeugen oder Probenahmen beeinflussen könnten. Technisch: Die Kenntnis solcher Prozesse hilft auch bei der Auswahl stabiler Landeplätze und beim Entwurf von Instrumenten, die mit feinkörnigen, mobilisierten Sedimenten umgehen können.
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Nach dem Experiment hat das CO2-Eis (noch sichtbar am tiefsten Punkt) eine Spur durch den Sand hinterlassen, mit den charakteristischen Levees an den Seiten der Rinne. Die Biegung der Rinne ist wahrscheinlich durch eine kleine Störung im Sandbett verursacht worden. Credit: Lonneke Roelofs/Utrecht University
Scientific Context and Broader Implications
Die Arbeit von Roelofs baut auf früheren Studien auf, die CO2-Sublimation bei anderen marsianischen Massenbewegungsereignissen verantwortlich machten, wie etwa saisonale gasgeschmierte Schuttströme an Kraterwänden. Dieses Experiment isoliert die Wirkung einzelner Blöcke und zeigt, wie ein einst unerwarteter Mechanismus bleibende geomorphe Spuren hinterlassen kann. Indem das Spektrum abiotischer Prozesse, die den Mars formen, erweitert wird, trägt die Forschung dazu bei, Modelle der Oberflächenabtragung, des Sedimenttransports und der Landschaftsentwicklung unter den speziellen Druck- und Temperaturbedingungen des Mars zu verfeinern.
Dr. Lonneke Roelofs bereitet ihre Experimente in der Marskammer vor. Credit: Lonneke Roelofs/Utrecht University
Expert Insight
„Diese Arbeit ist ein herausragendes Beispiel dafür, wie planetare Physik Formationen erzeugen kann, die biologisch wirken, aber vollständig abiotisch sind“, sagt Dr. Mira Sato, eine unabhängige Planetengeomorphologin, die nicht an der Studie beteiligt war. „Das Verständnis CO2-getriebener Erosionsprozesse hilft uns, Gully-Morphologien auf dem Mars korrekt zu interpretieren und Prioritäten für zukünftige Lander und Rover-Missionen zu setzen. Es erinnert uns auch daran, dass fremde Umgebungen vertraute Materialien – wie Sand und Eis – auf ungewohnte Weise nutzen können.“
What Comes Next for Mars Gully Research?
Zukünftige Schritte umfassen simulationsgetriebene Untersuchungen mit höherer Auflösung, präzisere Messungen des Gasdrucks während der Sublimation und gezieltes orbitales Monitoring von Dünenfeldern über komplette Jahreszeitenzyklen hinweg. Koordinierte Beobachtungen durch Instrumente wie HiRISE, ergänzende Daten aus Spektralinstrumenten sowie Messungen von kommenden Missionen können Vorhersagen darüber prüfen, wo CO2-Block-Rinnen wahrscheinlich entstehen und wie sie sich von Jahr zu Jahr verändern. Auf technologischer Ebene werden verbesserte Laborkammern, Sensoren für granulare Strömungen und druckbeständige Messinstrumente helfen, die beim gasgetriebenen Aushub wirkenden Kräfte zu quantifizieren – Prozesse, die in der irdischen Geomorphologie weitgehend unbekannt sind.
Warum fasziniert uns der Mars weiterhin? Weil er uns zwingt, Prozesse, die wir auf der Erde als selbstverständlich ansehen, neu zu denken. Studien wie die von Roelofs erweitern unser Instrumentarium zum Lesen planetarer Oberflächen und schärfen die Grenze zwischen Prozessen, die auf früheres Wasser oder Leben hinweisen könnten, und solchen, die durch die eigenartigen physikalischen Bedingungen des Roten Planeten erzeugt werden. Für die Marsforschung bedeuten solche Erkenntnisse sowohl methodische Fortschritte als auch praktische Hinweise für Missionsplanung, Risikobewertung und die Interpretation geologischer Beobachtungen im Kontext globaler Klimamodelle.
Quelle: scitechdaily
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