Verborgenes Wasser im Grand Canyon des Mars entdeckt

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Dass es auf dem Mars Wasser gab, ist heute hinreichend bekannt. So flossen einst Bäche und Flüsse über die Marsoberfläche – schufen Kanäle, die noch heute zu sehen sind. Zudem umspülte Wasser in Seen die alten Küsten. Alles in allem deuten die geologischen Entdeckungen auf einen Ozean voller Wasser hin. Doch heute scheint unser roter Nachbarplanet knochentrocken zu sein. Wo ist also das ganze Wasser hin?

Ein Teil des Wassers scheint auch heute noch vorhanden zu sein. Das meiste davon liegt in den kalten Polarregionen des Planeten und in Form von Eis vor. Nahe des Äquators liegt das gefrorene Wasser nicht frei auf der Oberfläche, da die Temperaturen hier nicht kalt genug sind.

Doch nur einen Meter unterhalb des Marsbodens könnte dies nun anders aussehen. Wissenschaftler konnten mit dem FREND-Instrument des Trace Gas Orbiter (TGO) die Existenz von Wasserstoff nachweisen – einem elementaren Bestandteil von Wasser. Die Studie erschien in der Fachzeitschrift „Icarus“.

Ein wasserreiches Gebiet so groß wie die Niederlande

Bereits in der Vergangenheit waren Forscher der ESA unter anderem mit der „Mars Express“-Sonde in Äquatornähe auf der Suche nach oberflächennahem Wasser in Form von Eis oder gebunden in Mineralien. Tatsächlich gelang später die Entdeckung geringer Wassermengen. „Diese Studien haben jedoch nur die Oberfläche des Planeten untersucht“, teilt die ESA in einer Pressemitteilung mit. Mithilfe des Trace Gas Orbiter könnten nun auch mögliche, tiefer liegende und von Staub bedeckte Wasservorräte erforscht werden.

„Mit TGO können wir bis zu einem Meter unter diese Staubschicht blicken. So können wir sehen, was wirklich unter der Marsoberfläche vor sich geht“, sagt Igor Mitrofanov, Hauptautor der Studie und leitender Forscher des Neutronenteleskops FREND. Außerdem können die Wissenschaftler nun vor allem wasserreiche „Oasen“ ausfindig machen. Diese seien mit früheren schlechteren Instrumenten unentdeckt geblieben.

„FREND enthüllte ein Gebiet mit ungewöhnlich viel Wasserstoff im riesigen Valles Marineris Canyon-System. Wenn man davon ausgeht, dass der Wasserstoff, den wir sehen, in Wassermolekülen gebunden ist, scheinen bis zu 40 Prozent des oberflächennahen Materials in dieser Region aus Wasser zu bestehen.“

Das wasserreiche Gebiet sei dabei in etwa so groß wie die Niederlande. Zudem überschneide sich der Valles Marineris Canyon mit den tiefen Tälern des Candor-Chaos-Canyonsystems. Letzterer gilt als vielversprechend für die Suche nach Wasser auf dem Mars.

Der Mars-Canyon „Valles Marineris“ ist der bislang größte seiner Art in unserem Sonnensystem. Foto: NASA

„Permafrostgebiet“ auf dem Mars

Mitrofanov und seine Kollegen analysierten in ihrer Studie die FREND-Beobachtungen vom Mai 2018 bis Februar 2021. Anders als bislang kartierten sie den Wasserstoffgehalt des Marsbodens durch den Nachweis von Neutronen anstelle von Licht.

Forscher um Igor Mitrofanov kartierten den Wasserstoffgehalt des Marsbodens mittels Neutronen. Foto: Mitrofanov et al. 2021, „Icarus“

Neutronen werden erzeugt, wenn hochenergetische Teilchen (sogenannte „galaktische kosmische Strahlung“) auf den Mars treffen. Trockenere Böden strömen mehr Neutronen aus als feuchtere Böden. „So konnten wir anhand der von ihnen [den Böden] ausgestoßenen Neutronen auf den Wassergehalt des Bodens schließen“, erklärt Mitautor Alexey Malakhov. „Die einzigartige Beobachtungstechnik von FREND bietet eine viel höhere räumliche Auflösung als frühere Messungen dieser Art. So ist es uns jetzt möglich, Wassermerkmale zu sehen, die vorher nicht zu erkennen waren.“

Überrascht waren die Forscher zudem von der großen Menge an Wasser. „Wir haben festgestellt, dass ein zentraler Teil der Valles Marineris voller Wasser ist – viel mehr Wasser, als wir erwartet hatten“, so Alexey. Diese Entdeckung ähnelt zudem einem irdischen Phänomen, wie Alexey erklärt. „Es ähnelt sehr den Permafrostgebieten der Erde, wo sich aufgrund der konstant niedrigen Temperaturen dauerhaft gefrorenes Wasser unter dem trockenen Boden hält.“

Form von Wasser wirft noch Fragen auf

In welcher Form das Wasser auf dem Roten Planeten vorliegt, ist jedoch noch unbekannt. Es handelt sich entweder um Eis oder um Wasser, das chemisch an andere Mineralien im Boden gebunden ist. Andere Beobachtungen zeigen jedoch, dass Mineralien in diesem Teil des Mars typischerweise nur wenige Prozent Wasser enthalten. „Insgesamt denken wir, dass dieses Wasser eher in Form von Eis vorliegt“, sagt Alexey.

Wassereis in Äquatornähe des Mars verdampft normalerweise aufgrund der Temperatur- und Druckbedingungen. Dasselbe gilt für chemisch gebundenes Wasser: Es muss die richtige Kombination aus Temperatur, Druck und Hydratation vorhanden sein, damit die Mineralien kein Wasser verlieren. Dies deute laut den Forschern darauf hin, dass in den Valles Marineris eine besondere, noch unklare Mischung von Bedingungen herrschen muss, um das Wasser zu erhalten. Eine weitere Alternative sei das „wieder auffüllen“ des Wassers.

„Dieser Befund ist ein erstaunlicher erster Schritt. Allerdings brauchen wir weitere Beobachtungen, um sicher zu wissen, mit welcher Form von Wasser wir es zu tun haben“, fügt Håkan Svedhem, Mitautor der Studie und ehemaliger ESA-Projektwissenschaftler für den ExoMars Trace Gas Orbiter, hinzu.

Künftige Erkundung auf dem Mars

Da die meisten künftigen Marsmissionen in niedrigeren Breitengraden landen wollen, sei die Entdeckung eines solchen Wasserreservoirs eine spannende Perspektive für die künftige Erforschung.

Zwar wurde bereits in den mittleren Breiten des Mars Hinweise auf Wasser im tieferen Untergrund gefunden, ebenso wie tiefe Becken mit flüssigem Wasser unter dem Südpol des Mars, doch liegen diese teilweise mehrere Kilometer unter der Oberfläche. So sind sie für die Erforschung weniger gut zugänglich als solche, die direkt unter der Oberfläche liegen.

Die aktuelle Entdeckung mache zudem die Valles Marineris zu einem noch vielversprechenderen Ziel für künftige menschliche Erkundungsmissionen auf dem Planeten, so die ESA. Valles Marineris ist der größte bislang bekannte Canyon im Sonnensystem. Wegen seines Aussehens wird dieser häufig mit dem Grand Canyon auf der Erde verglichen. Im Gegensatz zu ihm ist der Mars-Canyon allerdings etwa zehnmal länger und fünfmal tiefer.

Für die ESA ist die aktuelle Entdeckung ein weiterer Meilenstein in der Erforschung unseres Sonnensystems. „Mehr darüber zu wissen, wie und wo Wasser auf dem heutigen Mars vorkommt, ist wichtig, um zu verstehen, was mit dem einst reichlich vorhandenen Wasser auf dem Mars geschah. Außerdem hilft es uns bei der Suche nach bewohnbaren Umgebungen, möglichen Anzeichen von früherem Leben und organischem Material aus den frühesten Tagen des Mars.“

Wasser in Stein gemeißelt?

Unabhängig von den Entdeckungen der ESA forschten David M. Jenkins, Professor für Geowissenschaften an der Universität Binghamton, und seine Kollegen ebenfalls zum Mars-Wasser. Im Gegensatz zu Mitrofanov und seinen Kollegen hält Jenkins an Mineralien gebundenes Wasser für wahrscheinlich. Sein Augenmerk fiel dabei auf unterirdische Tonminerale wie Smektite.

Vor allem magnesiumreiche Smektite bleiben bei Temperaturen zwischen 800 und 900 Grad Celsius stabil, d. h. sie schmelzen oder zersetzen sich nicht. Dies sei „wirklich ungewöhnlich“, so Jenkins in einer Mitteilung. In seinem Labor, eine Mischung aus Chemielabor und Maschinenhalle, stellte er zunächst die Bedingungen des jungen Mars nach. In speziellen Silberzylindern bearbeitete der Geologe die Mineralien mit Druck, Kraft und Hitze.

„Ich koche und quetsche Materialien, um zu sehen, wie sie reagieren, ob sie stabil sind oder nicht, ob sie ihre Chemie oder ihre Kristallstruktur verändern und, wenn ja, wie sie das tun“, sagte Jenkins. So könne er nachvollziehen, wie und wo sich das Mineral auf dem Mars gebildet haben könnte. Schließlich kam Jenkins zu dem Entschluss, dass Smektite auf dem Mars schon sehr früh entstanden sein könnten. In dieser frühen Zeit des Planeten sei seine ursprüngliche Atmosphäre bis zu 300mal so dicht gewesen wie die auf der Erde. Das Tonmineral könnte sich dann bei der Abkühlung des Planeten gebildet haben, so Jenkins.

Wie viel Wasser könnte also in dem eisenhaltigen Smektit auf dem Mars gespeichert sein? Jenkins hat Berechnungen durchgeführt und glaubt, dass er eine Antwort hat. „Es könnte in der Tat das gesamte fehlende Wasser erklären“, sagte er. Eine Veröffentlichung seiner Arbeit in einer Fachzeitschrift ist in Vorbereitung.