Marsforschung: Die rätselhaften Küsten auf dem Mars

Früher müsste es einen großen Ozean auf dem Mars gegeben haben. Aber bisher passt ein Detail nicht zu diesem Bild. Eine neue Forschungsarbeit beseitigt nun diesen Widerspruch.

von Dirk Eidemüller

Eisbedeckte Polkappen, Wolken in der Atmosphäre, eine rostfarbene Landschaft, die von dunkleren Flecken durchsetzt ist. So präsentiert sich unser Nachbar auf diesem Bild, welches das Hubble-Weltraumteleskop am 12. Mai 2016 aufgenommen hat. Damals befand sich der Rote Planet in einer Entfernung von 50 Millionen Kilometern zur Erde. Bemerkenswert sind vor allem die Eisschilde an Nord- und Südpol: Im Norden hat sich das Eis während des gegenwärtigen Marssommers weit zurückgezogen, während es im Süden weiter ausgedehnt ist. Dafür behindern dort Wolken die Sicht. Die große dunkle Region rechts ist Syrtis Major Planitia, die zu den ersten Oberflächenformationen gehört, die auf dem Mars entdeckt und beschrieben wurden - es handelt sich um einen alten und inaktiven Vulkan. Südlich davon schließt sich die die riesige Hellas Planitia an, die vor 3,5 Milliarden Jahren durch einen Asteroideneinschlag entstand. Die orange Fläche im Zentrum wiederum ist Arabia Terra, ein ausgedehntes Hochland, das stark verkratert und erodiert ist. — © NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), J. Bell (ASU), and M. Wolff (Space Science Institute) (Ausschnitt)

Wer schon immer einmal Strandurlaub auf einem fremden Planeten machen wollte und darüber hinaus eine Zeitmaschine besitzt, könnte sich den Mars einmal näher anschauen. Vor gut drei Milliarden Jahren bedeckten vermutlich große Wassermassen die Oberfläche unseres Nachbarplaneten. Dafür sprechen unter anderem verschiedene geologische Formationen in der nördlichen Tiefebene, die sich als Küstenlinien interpretieren lassen.

Aber etwas passt nicht zu diesem Bild. Zwischen den Formationen liegen teils enorme Höhenunterschiede von einigen hundert Metern bis hin zu mehreren Kilometern. Küsten haben allerdings für gewöhnlich eine konstante Höhe, auf der Erde sprechen wir vom Meeresspiegel. Ein Team von Planetenforschern an der University of Berkeley glaubt diesen Widerspruch nun auflösen zu können: Demnach gab es auf dem Mars früher als bisher gedacht einen großen Ozean, dessen Uferlinien dann jedoch von geologischen Prozessen stark verformt wurden.

Der Mars ist zu leicht

Dass der Mars heute ein Wüstenplanet ist, liegt an seiner vergleichsweise geringen Masse. Dadurch reichte seine Schwerkraft nicht aus, um das Gas in seiner Atmosphäre fest genug an sich zu binden und vor Erosion durch den Sonnenwind zu schützen. Dieser Strom aus geladenen Partikeln konnte die Moleküle in der Lufthülle des Roten Planeten daher im Lauf vieler Jahrmillionen ins All schubsen. Auf diese Weise wurde die Atmosphäre immer dünner, so dass Wasser auf dem Mars heute rasch verdampft. Reste gibt es höchstens noch an den Polen, wo es zusammen mit Trockeneis aus Kohlenstoffdioxid große Eiskappen gebildet hat.

Arabia und Deuteronilus | Links ist der Ozean Arabia zu sehen, der sich offenbar bereits vor vier Milliarden Jahren auf dem Mars bildete (Illustration). Vor 3,6 Milliarden Jahren wurde aus ihm der Ozean Deuteronilus. Beide Gewässer wurden maßgeblich von der Tharsis-Vulkanregion geprägt, die sich auf der anderen Seite des Planeten befindet.

Ein Indiz für die nasse Vergangenheit des Mars sind die zahlreichen Schluchten und Furchen in seiner Oberfläche, bei denen es sich einst wohl um Flusstäler handelte. Auch Tonminerale, die an vielen Stellen gefunden wurden und die sich auf der Erde in Anwesenheit von flüssigem Wasser bilden, gelten als wichtiges Puzzlestück. Aber Forscher streiten über die richtige Interpretation dieser Befunde. Manche Wissenschaftler argumentieren beispielsweise, dass die Tonminerale auch unter Einwirkung von Wasserdampf entstanden sein könnten. Und die Canyons könnten sich nicht nur durch reißende Flüsse gebildet haben, sondern auch durch mächtige Lavaströme.

Die Rolle der Vulkane

Fest steht, dass Vulkane eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Mars gespielt haben. Sie sind meist höher als die Feuerberge der Erde, da es auf dem Mars keine Plattentektonik gibt, die geologische Formationen langsam, aber fortwährend verschiebt. Auf dem Mars bleiben Vulkane immer an derselben Stelle, werden also nicht auf Kontinentalplatten umhergeschoben, und können daher extreme Höhen erreichen. Besonders prägnant ist die Tharsis-Region. Sie ist Heimat von mächtigen Schildvulkanen, darunter Olympus Mons, mit 22 Kilometer Höhe der größte Vulkan im gesamten Sonnensystem.

Womöglich hat das Entstehen der Region sogar die Planetenachse des Mars geneigt. Denn schwere Massen zieht es bei allen frei rotierenden Körpern in die Äquatorialebene. Frühere Studien haben gezeigt: Sollte Tharsis auf höheren Breiten entstanden und zum Äquator gewandert sein, müssten sich auch die Küstenlinien verformt haben.

Rätselhafte Küstenlinien | Ein Höhenprofil des heutigen Mars zeigt die einstigen Küstenlinien des Arabia-Ozeans (lila) und des einige Hundert Millionen Jahre jüngeren Deuteronilus-Meeres (weiß). Links im Bild (konzentrische Kreise) ist auch die Tharsis-Region zu sehen, die weit in die Höhe ragt.

Bei der Entstehung von Vulkanen sind im Untergrund große Mengen von Magma in Bewegung. Solche Massenbewegungen finden in einem Zeitraum von einigen Dutzend bis hundert Millionen Jahren statt. Dementsprechend lange dauert auch die Neuorientierung der Drehachse, was Ozeanen mehr als genug Zeit gibt, neue Küstenlinien auszubilden. Solche Polwanderungen treten wohl häufiger auf als gedacht.

Wenn der Pol wandert

Sie müssen allerdings nicht unbedingt mit Vulkanismus zusammenhängen: Wie Bilder der Raumsonde "New Horizons" zeigen, haben auf dem Zwergplaneten Pluto vermutlich gewaltige Eismassen und vielleicht sogar ein unterirdischer Ozean die Planetenachse stark gekippt. Beim Mars fällt dieser Effekt geringer aus. Die meisten Marsgeologen gehen mittlerweile davon aus, dass das Tharsis-Vulkanareal nicht allzu weit vom Äquator gewachsen ist.

"Die Entstehung der Tharsis-Region hat die Pole vermutlich um rund 20 Grad verschoben, aber das reicht nicht aus, um die beobachteten Höhenunterschiede bei den Küstenlinien zu erklären", sagt Robert Citron von der University of Berkeley, der Erstautor der nun in "Nature" erschienenen Veröffentlichung.

Die Rolle der Lava

Citron und seine Kollegen gehen davon aus, dass es beim Mars vor allem die immensen Lavamassen der Vulkane waren, die das umliegende Gelände verformten. Entscheidend sei hierbei der Zeitpunkt der Entstehung eines großen Marsmeeres. Möglicherweise bildete es sich bereits vor oder ungefähr zeitgleich mit der Tharsis-Region und nicht danach, wie bisher angenommen. So konnte das Vulkanareal bei seinem schubweisen Wachstum das Ozeanbett immer wieder umformen.

Für ihre Studie modellierten die Forscher den Einfluss von Tharsis auf zwei große Ozeane, die es auf dem Mars gegeben haben könnte: Die starke Verformung der Küstenlinie des ersten Ozeans – "Arabia" genannt – lässt sich den Forschern zufolge durch die Vulkanaktivität und das Wandern der Planetenachse erklären, weshalb es wahrscheinlich sei, dass sich das Meer bereits vor vier Milliarden Jahren bildete, also vor Tharsis oder zu einem frühen Zeitpunkt seiner Entstehung.

Ozeane früher als gedacht

Der zweite Ozean mit dem Namen "Deuteronilus", der Arabia ablöste, sei hingegen erst vor rund 3,6 Milliarden Jahren entstanden. Seine Küstenlinie lässt sich allein durch Lavaströme einer bereits großen Vulkanregion erklären, so die Forscher. Wenn diese Annahmen zutreffen, hätte der Mars schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt in der Geschichte unseres Sonnensystems einen Ozean besessen, der einen großen Teil seiner Nordhalbkugel bedeckte.

Die Altersbestimmung der dazugehörigen Gesteinsformationen ist allerdings nicht ganz einfach, weshalb Raum für Diskussionen bleiben dürfte. Neue Erkenntnisse zu diesen Problemen erhoffen sich die Planetenforscher unter anderem von der kommenden NASA-Marsmission "InSight", die in gut einem Monat starten und unter anderem ein Seismometer auf die Marsoberfläche setzen soll. Damit wollen die Wissenschaftler seismische Wellen aufspüren, die auf gefrorenes Wasser im Untergrund schließen lassen – Hinterlassenschaft eines verloren gegangenen Ozeans.