Barriere über dem Mars bremst die Durchmischung der Atmosphäre

Die Marsatmosphäre ist ein natürliches Labor der Planetenatmosphäre. Staub und Wasserdampf wirken dort mit Zirkulation, Klima und Oberfläche zusammen. Staub absorbiert und streut Strahlung und verändert damit Temperatur und Luftströmung. Wasserdampf verbindet die Atmosphäre mit den Polkappen und dem langfristigen Wasserhaushalt. Beobachtungen zeigen, dass diese Bestandteile über den ganzen Planeten sehr ungleich verteilt sind. Einen einheitlichen Mechanismus, der das erklärt, gab es bisher nicht.

Ein Team der südchinesischen Universität SUSTech (Southern University of Science and Technology) verfolgte Partikel in einem Modell der Marsatmosphäre. Die Methode stammt aus der Lagrange-Beschreibung: Die Forscher beobachteten, wie die atmosphärische Strömung einzelne Partikel trägt. Die Ergebnisse erschienen in „Nature Geoscience“.

Sperre am Rand der Zirkulation

Der erste Befund betrifft den Rand der planetaren Hadley-Zirkulation. Dort steigt Luft in der Äquatorzone auf und sinkt in höheren Breiten wieder ab. Dieser Rand bildet eine dynamische Barriere für den Transport von Materie. Innerhalb von 30 irdischen Tagen überqueren nur etwa 15 Prozent der innerhalb der Zirkulation freigesetzten Partikel diese Grenze. Von den außerhalb freigesetzten sind es etwa 20 Prozent. Dieser Zustand hält etwa 80 Prozent des Marsjahres an. In den übrigen rund 20 Prozent der Zeit schwächt sich die Struktur zu zwei schwächeren Zellen mit einem anderen Isolationsmuster ab.

Televerbindung zwischen den Polen

Der zweite Befund ist noch überraschender. Über der Hadley-Zelle fanden die Autoren eine Telekonnexion zwischen den Polarregionen beider Hemisphären. Ein Partikel kann sich innerhalb von 10 irdischen Tagen von hohen Breiten der Sommerhemisphäre zu hohen Breiten der Winterhemisphäre bewegen. Eine Dimensionsanalyse deutet darauf hin, dass die schnelle Rotation des Mars die Bildung von Wirbeln ähnlich denen der Erde zuließe. Die dünne Atmosphäre gelangt jedoch so schnell ins Strahlungsgleichgewicht, dass diese Wirbel wirksam gedämpft werden. Der Transport auf dem Mars verläuft also überwiegend entlang der mittleren Strömung, anders als auf der Erde, wo Wirbel dominieren. Auch die Venus hat eine mittlere Strömung, doch ihre starke Superrotation schließt den Transport in schmale Breitenbänder ein.

Das hat konkrete Folgen. Die Trennung von Staub und Wasserdampf kann die Bildung von Wassereis dämpfen und damit den Strahlungshaushalt und den Wasserkreislauf verändern. Bestandteile, die in den oberen Schichten photochemisch umgesetzt werden, gelangen direkt über den Winterpol. Über längere Zeit würde ein solches Muster die Ablagerung von Wasser und seinen Isotopen, etwa von halbschwerem Wasser, ausschließlich in hohen Breiten begünstigen. Die Atmosphärenflucht würde die Wasservorräte des Planeten zusätzlich verändern. Das ist nicht das Ende der Fragen, aber das erste einheitliche Bild davon, wie ein Planet mit dünner Atmosphäre seinen eigenen Transport filtert.