Sauerstoff auf dem Mars gibt Forschern Rätsel auf

Nachdem er die dünne, eiskalte Luft des Roten Planeten mehr als sechs Jahre lang analysiert hat, hat ein NASA-Rover eine überraschende Entdeckung gemacht: Es gibt mehr Sauerstoff in der Marsatmosphäre, als es Wissenschaftler erwartet hatten – und er verhält sich seltsam.

Wenn auf dem Mars Frühling und Sommer herrschen, steigen die Sauerstoffwerte des Roten Planeten sprunghaft um zusätzliche 400 Millionstel (oder ppm) an. Das sind 30 Prozent mehr, als es Forscher aufgrund des Verhaltens der anderen Atmosphärengase erwartet hätten. Der Anstieg scheint teilweise mit einem weiteren gasförmigen Mysterium zu korrelieren: dem saisonalen Anstieg und Abfall der Methankonzentration in der Marsatmosphäre.

„Der Mars hat uns schon wieder reingelegt!“, sagt Sushil Atreya, ein Planetenwissenschaftler der University of Michigan. Er gehörte zu dem Team, welches die merkwürdigen Sauerstoff-Messergebnisse im „Journal of Geophysical Research: Planets“ präsentierte.

Auch wenn es verlockend erscheint, bei dem Sauerstoff in der Atmosphäre direkt an Photosynthese zu denken, gibt es auf dem Mars andere Prozesse, die Sauerstoff erzeugen. Die Ergebnisse sind daher nicht zwingend ein Hinweis auf Leben. Wahrscheinlich offenbaren sie eher die Lücken in unserem Wissen über die Oberflächenchemie des Mars. Diese Lücken müssen gefüllt werden, wenn wir weiterhin nach Spuren des Lebens auf dem heutigen oder vergangenen Mars suchen wollen.

Im kommenden Sommer wollen vier Nationen Marsmissionen starten, um diesem Ziel etwas näher zu kommen. Eine davon wird der NASA-Rover Mars 2020 sein, der Proben für einen künftigen Rücktransport zur Erde sammeln wird. Die EU und Russland haben sich für die ExoMars-Mission zusammengeschlossen, zu der auch der Rover Rosalind Franklin gehört. Der Robo-Explorer wird bis zu zwei Meter tief in den Marsboden bohren und die innere Chemie des Roten Planeten detaillierter als je zuvor erforschen.

„Wie bei jedem neuen Planetensystem muss [Leben] immer die letzte mögliche Erklärung sein“, sagt die Hauptautorin der Studie, Melissa Trainer, eine Planetenwissenschaftlerin am Goddard Space Flight Center. „Wir müssen sichergehen, dass wir vollumfänglich begreifen, wie der Mars als System funktioniert.“

Mysteriöse Prozesse in der Atmosphäre

Vieles, was wir derzeit über die Marsatmosphäre wissen, stammt aus Messdaten von Bodenteleskopen oder Mars-Orbitern. Sie können nach chemischen Signalen suchen, die Rückschlüsse auf die globale Atmosphärenzusammensetzung zulassen – auch auf den Sauerstoffgehalt. Den Forschern war bereits bekannt, dass Sauerstoff auf dem Mars durch unbelebte Prozesse produziert werden kann.

Wenn das ultraviolette Licht der Sonne auf das Kohlendioxid und den Wasserdampf in der Marsatmosphäre trifft, entsteht molekularer Sauerstoff: O2. Schlussendlich durchläuft O2 weitere chemische Reaktionen und bildet am Ende wieder CO2 und der Kreis schließt sich. Bis dahin können einzelne O2-Moleküle jedoch für mindestens zehn Jahre in der Marsatmosphäre verbleiben, wenn nicht gar mehrere Jahrzehnte lang. Dieser Sauerstoff, der gewissermaßen durch das Sonnenlicht entsteht, macht etwa 0,13 Prozent der heutigen Marsatmosphäre aus.

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Aufgrund seiner langfristigen Stabilität vermuteten Forscher, dass der Sauerstoff auf dem Mars sich im Grunde wie ein nicht reaktives Gas verhält und in seiner Konzentration ansteigt und abfällt wie die Inertgase Argon und Stickstoff. Wegen des Staubs in der Atmosphäre und anderer Störfaktoren können die Teleskope aber keine verlässlichen Daten über die Luft direkt über der Marsoberfläche liefern. An dieser Stelle kommt der Mars Rover Curiosity ins Spiel. Er rollt seit 2012 über die Marsoberfläche und hat die bislang detailliertesten Daten über die Umgebungsluft auf dem Planeten gesammelt.

„Das sind wirklich beispiellose Messdaten“, sagt Trainer.

Curiositys Messungen ergaben, dass sich der Sauerstoff auf dem Mars doch nicht so vorhersehbar verhält. Der O2-Gehalt steigt nicht nur jedes Jahr sprunghaft an, die Sprünge selbst unterscheiden sich auch von Jahr zu Jahr.

„Als wir das zum ersten Mal gesehen haben, dachte ich: Das ist doch völlig bizarr“, sagt Atreya.

Darüber hinaus weisen die Sprünge im Sauerstoffgehalt eine ungewöhnliche Ähnlichkeit zu den Sprüngen im Methangehalt auf – ein Spurengas in der Marsatmosphäre, das zumindest auf der Erde mit biologischen Prozessen assoziiert wird. Die Konzentration beider Gase nimmt im Herbst und Winter ab und steigt im Frühling und Sommer wieder an. Allerdings gibt es ein paar bedeutende Unterschiede. Der Sauerstoffgehalt nimmt eher wieder zu als der Methangehalt, und im Gegensatz zu den unregelmäßigen Sprüngen des Sauerstoffs sind die Sprünge im Methangehalt von Jahr zu Jahr konsistent.

„Das ist ein ganz neuer Aspekt dieses Rätsels. Wir finden das enorm spannend und sind sehr interessiert daran herauszufinden, ob es zwischen den beiden eine tatsächliche Korrelation gibt“, sagt Trainer. „Sie könnten beide potenziell ihren Ursprung an der Oberfläche haben, aber noch ist nicht klar, ob es derselbe Ursprung ist.“

Viele Verdächtige, kein Täter

Sauerstoffanstiegs angeht. Der bereits bekannte Prozess, der durch das Sonnenlicht ausgelöst wird, produziert nicht genügend O2 in ausreichend kurzer Zeit, um als Erklärung infrage zu kommen. Trainer und ihre Kollegen richten ihre Aufmerksamkeit nun also auf die Oberfläche des Roten Planeten. Dort existieren genügend Stoffe und Verbindungen, die Sauerstoff enthalten.

Ein potenzieller Verdächtiger sind Perchlorate – toxische Salze im Marsboden. Prinzipiell könnte kosmische Strahlung, die auf den Boden trifft, die Perchlorate in reaktivere Komponenten aufspalten, die wiederum O2 freisetzen. Den Forschern zufolge findet aber auch dieser Prozess viel zu langsam statt, um den saisonalen Sauerstoffanstieg zu erklären.

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Eine weitere Möglichkeit ist Wasserstoffperoxid. Auf der Erde wird es als Antiseptikum verwendet, entsteht aber auch fortwährend auf dem Mars, wenn das Sonnenlicht Kohlendioxid und Wasserdampf aufspaltet. Somit macht es auch einen kleinen Anteil an der Marsatmosphäre aus. Chemische Modelle deuten darauf hin, dass dieses Wasserstoffperoxid in den Marsboden eindringen und sich dort in bis zu drei Meter Tiefe an Partikel heften kann. Auf diese Weise bildet es gewissermaßen ein unterirdisches Sauerstoffreservoir.

Aber selbst im Bestfall – wenn man also annimmt, dass dieses Wasserstoffperoxid bis zu zehn Millionen Jahre lang im Boden verbleiben kann – würden diese Prozesse nur ein Zehntel der Sauerstoffmoleküle erklären können, die für den sprunghaften Anstieg verantwortlich sind, sagt Trainers Team.

Die Forscher sahen sich also noch mal die Daten der Viking Lander aus den Siebzigern an. Diese entdeckten, dass der Marsboden überraschende Mengen an Sauerstoff freisetzt, wenn er feucht wird. Trainer und ihre Kollegen glauben aber nicht, dass das direkt mit ihren eigenen Beobachtungen zusammenhängt. Einerseits wurde das Viking-Experiment bei 10 °C durchgeführt, was deutlich wärmer als die durchschnittliche Oberflächentemperatur des Mars ist. Andererseits wird so selbst, wenn der Marsboden Sauerstoff freisetzt, nicht erklärt, warum es jedes Jahr wieder einen Anstieg gibt, ohne dass der Sauerstoffvorrat im Boden aufgefüllt wird.

„[Viking] liefert uns keinen Verdächtigen, sondern eher ein weiteres Verbrechen, würde ich sagen“, äußert sich der Co-Autor Timothy McConnochie, ein Forscher an der University of Maryland.

Exotischer Marsdreck

Trainer und ihre Kollegen suchen weiter nach möglichen Erklärungen. Atreya würde beispielsweise gern einen genaueren Blick auf die hochenergetischen Teilchen werfen, die durch das All rasen und in den ersten paar Metern des Marsbodens chemische Reaktionen auslösen könnten. Die Planetenwissenschaftlerin Bethany Ehlmann vom Caltech, die an der Studie nicht beteiligt war, verweist darauf, dass der Marsboden viel reaktiver als unser heimischer Erdboden ist.

„Wir verstehen noch immer nicht so ganz, wie sich der Marsboden zusammensetzt. Er ist ganz klar ziemlich exotisch im Vergleich zur Erde, weil er sehr viele eisenhaltige und schwefelhaltige Minerale enthält“, sagt sie. „Die scheinen interessante Eigenschaften zu haben.“

Künftige Missionen könnten bei der Klärung dieser Frage helfen – insbesondere, wenn sie weitere Atmosphärenmessungen vornehmen. Da es viele wissenschaftliche Anfragen an das Curiosity-Team gibt, konnte Trainers Team 2019 nur 19 Datenpunkte während des Marsjahres sammeln. Damit gewinnen sie zwar einen Eindruck von den langfristigen Mustern, können aber keine eventuellen kurzfristigen Veränderungen sehen. Was würden Forscher finden, wenn sie den Methan- und Sauerstoffgehalt des Mars täglich oder gar stündlich messen könnten?

„Das wäre viel, viel nützlicher – das wäre großartig“, sagt der Co-Autor der Studie, Germán Martínez, ein Wissenschaftler am Lunar and Planetary Institute.

Mit jeder neuen Studie vertieft sich das Verständnis der Forscher für die unbelebten Reaktionen auf dem Mars und ihre Auswirkungen auf die Luft des Planeten. Das macht es für sie auf lange Sicht einfacher, eine klare Trennlinie zwischen den geologischen und biologischen Prozessen zu ziehen.

„Auf der Erde werden all diese Prozesse im Grunde von den Effekten unserer Biosphäre überlagert“, sagt Trainer. „Auf dem Mars sind wir dagegen vom Verhalten des Sauerstoffs überrascht. Das zeigt uns, dass da noch viel mehr passiert.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.