Der Mars enthüllt sein nächtliches Geheimnis: Faszinierendes grünes Leuchten entdeckt

Der ExoMars Trace Gas Orbiter der ESA hat ein grünes Nachtlicht in der Marsatmosphäre entdeckt und liefert wichtige Daten über atmosphärische Prozesse und mögliche Beleuchtung für zukünftige Marsmissionen. Dieses Phänomen unterscheidet sich von Polarlichtern und stellt einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis dar Mars.

Wenn zukünftige Astronauten die Polarregionen des Mars erkunden, werden sie ein grünes Leuchten am Nachthimmel sehen. Zum ersten Mal wurde im Rahmen der ESA-Mission ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) ein sichtbares Nachtglühen in der Marsatmosphäre entdeckt.

Bei klarem Himmel könnte das Leuchten hell genug sein, dass Menschen es sehen und Rover in den dunklen Nächten navigieren können. Auch auf der Erde wird Nachtglühen beobachtet. Auf dem Mars war es etwas, was erwartet wurde, aber bisher noch nie im sichtbaren Licht beobachtet wurde.

Nachtglühen auf dem Mars

Das atmosphärische Nachtglühen entsteht, wenn sich zwei Sauerstoffatome etwa 50 km (~30 Meilen) über der Planetenoberfläche zu einem Sauerstoffmolekül verbinden.

Die Sauerstoffatome waren auf einer Reise: Sie entstehen auf der Tagseite des Mars, wenn Sonnenlicht Kohlendioxidmolekülen Energie verleiht und sie dadurch spaltet. Wenn die Sauerstoffatome zur Nachtseite wandern und nicht mehr von der Sonne angeregt werden, gruppieren sie sich neu und emittieren in tieferen Höhen Licht.

Diese Animation zeigt den Prozess, der vermutlich für das nächtliche Leuchten des Mars verantwortlich ist. Wenn sie oberhalb einer Höhe von 70 km der ultravioletten Sonnenstrahlung ausgesetzt werden, werden Kohlendioxidmoleküle – der Hauptbestandteil der Marsatmosphäre – in Kohlenmonoxid- und Sauerstoffatome gespalten. Diese Sauerstoffatome (dargestellt als rote Kugeln) werden von einer gigantischen Hadley-Zelle transportiert, die einen aufsteigenden Zweig über dem Sommerpol am Tag und einen absteigenden Zweig über dem Winterpol in der Nachthalbkugel aufweist. Die Sauerstoffatome rekombinieren im absteigenden Ast der Hadley-Zelle in einer Höhe von 30–50 km zu molekularem Sauerstoff und emittieren dabei Infrarotstrahlung. Bildnachweis: ESA

„Diese Emission ist auf die Rekombination von Sauerstoffatomen zurückzuführen, die in der Sommeratmosphäre erzeugt und durch Winde in hohe Winterbreiten in Höhen von 40 bis 60 km in der Marsatmosphäre transportiert werden“, erklärt Lauriane Soret, Forscherin am Labor für Atmosphäre und Planetologie Physiker der Universität Lüttich in Belgien und Teil des Teams, das die Entdeckung veröffentlichte Naturastronomie.

Die Beleuchtung des Nachtlichts könnte hell genug sein, um den Weg der Zukunft zu erhellen. Sehen Sie das Licht so hell wie mondbeschienene Wolken auf der Erde.

„Diese Beobachtungen sind unerwartet und interessant für zukünftige Reisen zum Roten Planeten“, sagt Jean-Claude Gérard, Hauptautor der neuen Studie und Planetenwissenschaftler an der Universität Lüttich.

Airglow tritt in der Erdatmosphäre auf, wenn Sonnenlicht mit Atomen und Molekülen in der Atmosphäre interagiert. Auf diesem Bild, das 2011 von Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) aufgenommen wurde, ist über der Erdkrümmung ein grünes Band aus Sauerstoffglühen zu sehen. An der Oberfläche sind Teile Nordafrikas sichtbar, mit Abendlichtern, die entlang des Nils und seines Deltas scheinen. Bildnachweis: NASA

Folgen Sie der grün leuchtenden Straße

Das internationale Wissenschaftsteam war von einer früheren Entdeckung fasziniert, die mit Mars Express gemacht wurde und vor einem Jahrzehnt das Nachtleuchten im Infrarotwellenlängenbereich beobachtete. Anschließend entdeckte der Trace Gas Orbiter im Jahr 2020 leuchtende grüne Sauerstoffatome hoch über der Tagseite des Mars – das erste Mal, dass diese Tageslichtemission um einen anderen Planeten als die Erde beobachtet wurde.

Diese Atome wandern auch zur Nachtseite und rekombinieren dann in geringerer Höhe, was zu dem sichtbaren Nachtleuchten führt, das in der heute veröffentlichten neuen Forschung entdeckt wurde.

Künstlerische Darstellung des ExoMars Trace Gas Orbiter der ESA, der das grüne Leuchten von Sauerstoff in der Marsatmosphäre entdeckt. Diese auf der Tagseite des Mars beobachtete Emission ähnelt dem nächtlichen Leuchten, das aus dem Weltraum um die Erdatmosphäre herum beobachtet wird. Bildnachweis: ESA

TGO umkreiste den Roten Planeten in einer Höhe von 400 km und konnte die Nachtseite des Mars mit dem ultraviolett-sichtbaren Kanal seines NOMAD-Instruments überwachen. Das Instrument deckt einen Spektralbereich vom nahen Ultraviolett bis zum roten Licht ab und wurde auf den Rand des Roten Planeten ausgerichtet, um die obere Atmosphäre besser beobachten zu können.

Das NOMAD-Experiment wird vom Königlich Belgischen Institut für Weltraumaeronomie geleitet und arbeitet unter anderem mit Teams aus Spanien (IAA-CSIC), Italien (INAF-IAPS) und dem Vereinigten Königreich (Open University) zusammen.

Wissenschaftlicher Wert

Das Nachtlicht dient als Indikator für atmosphärische Prozesse. Es kann eine Fülle von Informationen über die Zusammensetzung und Dynamik eines schwer zu messenden Bereichs der Atmosphäre sowie über die Sauerstoffdichte liefern. Es kann auch zeigen, wie Energie sowohl durch das Sonnenlicht als auch durch den Sonnenwind – den Strom geladener Teilchen, der von unserem Stern ausgeht – deponiert wird.

Schnappschuss aus dem Weltraum von der Milchstraße und der Erde, die gemeinsam hinter der Internationalen Raumstation posieren. Die Milchstraße erstreckt sich in der Szene unterhalb der Krümmung des Erdrandes, in der auch ein schwaches grünes Luftglühen zu sehen ist. Der zentrale Bulge der Galaxie erscheint mit Sternenfeldern, die von dunklen Rissen aus undurchsichtigem interstellarem Staub durchzogen sind. Das Bild wurde 2015 vom NASA-Astronauten Scott Kelly während seiner einjährigen Mission im Weltraum aufgenommen. Bildnachweis: NASA/Scott Kelly

Das Verständnis der Eigenschaften der Marsatmosphäre ist nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern auch von entscheidender Bedeutung für Missionen zur Oberfläche des Roten Planeten. Die atmosphärische Dichte hat beispielsweise direkten Einfluss auf den Widerstand, den umlaufende Satelliten und die Fallschirme erfahren, mit denen Sonden zur Marsoberfläche gebracht werden.

Nachtlicht gegen Aurora

Nachtglühen wird auch auf der Erde beobachtet, ist aber nicht mit Polarlichtern zu verwechseln. Polarlichter sind nur eine Möglichkeit, die Planetenatmosphären zum Leuchten zu bringen.

Polarlichter entstehen sowohl auf dem Mars als auch auf der Erde, wenn energiereiche Elektronen von der Sonne auf die obere Atmosphäre treffen. Sie variieren je nach Raum und Zeit, während das nächtliche Leuchten homogener ist. Nachtglühen und Polarlichter können beide eine breite Farbpalette aufweisen, je nachdem, welche atmosphärischen Gase in verschiedenen Höhen am häufigsten vorkommen.

Das grüne Nachtlicht auf unserem Planeten ist ziemlich schwach und lässt sich daher am besten aus der „Edge-on“-Perspektive erkennen – wie in vielen spektakulären Bildern dargestellt, die Astronauten von hier aus aufgenommen haben Internationale Raumstation.

Ein Zeitraffervideo von Europäische Weltraumorganisation Astronaut Tim Peake, aufgenommen während seiner sechsmonatigen Principia-Mission auf der Internationalen Raumstation. Der britische Astronaut kommentierte diesen Zeitraffer: „Ansicht eines ‚Aurora-Aufgangs‘ auf der Internationalen Raumstation – die beiden Satelliten am Ende erkennen? Zeitraffervideo aus Bildern, die in Abständen von einer Sekunde aufgenommen wurden und 25-mal schneller abgespielt werden.“ Bildnachweis: ESA/NASA

Referenz: „Beobachtung des Mars O₂ sichtbares Nachtglühen durch das NOMAD-Spektrometer an Bord des Trace Gas Orbiter“ von J.-C. Gérard, L. Soret, IR Thomas, B. Ristic, Y. Willame, C. Depiesse, AC Vandaele, F. Daerden, B. Hubert, JP Mason, MR Patel und MA López-Valverde, 9. November 2023, Naturastronomie.
DOI: 10.1038/s41550-023-02104-8