Beurteilung der Bewohnbarkeit des Roten Planeten: Isotopen-Rätsel in der Marsatmosphäre

Der Mars, auch als „Roter Planet“ bekannt, weckt seit der Antike das Interesse von Wissenschaftlern und Weltraumbegeisterten. Seine Ähnlichkeiten mit der Erde und die Möglichkeit, dass es auf seiner Oberfläche früheres oder sogar gegenwärtiges Leben gab, haben zahlreiche Roboter-Erkundungsmissionen ausgelöst, um die Geheimnisse dahinter aufzudecken. Eine dieser Schlüsselmissionen, der ExoMars Trace Gas Orbiter, hat uns kürzlich wichtige Erkenntnisse über die Zusammensetzung der Marsatmosphäre und die Ursprünge der organischen Materie auf der Oberfläche geliefert.

1. Mehrere Robotererkundungen enthüllen Geheimnisse des Mars

Derzeit erforschen elf Robotermissionen den Mars, darunter Orbiter, Lander, Rover und ein Luftfahrzeug (der Rover Perseverance). Wie ihre Vorgänger untersuchen diese Missionen die Atmosphäre, die Oberfläche und den Untergrund des Mars, um seine Vergangenheit und Entwicklung zu verstehen, einschließlich seiner Umwandlung von einer einst warmen, feuchten Umgebung in den kalten, staubigen und extrem trockenen Planeten, der er heute ist. Darüber hinaus suchen diese Missionen nach Anzeichen von Leben, das in der Vergangenheit auf dem Mars existiert haben könnte, oder sogar nach Hinweisen darauf, ob es dort noch Leben gibt.

2. Einblick in die Zusammensetzung des Marsgases

Eine besonders spannende Frage betrifft die Marsatmosphäre, die hauptsächlich aus Kohlendioxid (CO2) besteht und relativ reich an Kohlenstoff-13 (13C) ist, einem Isotop von „schwerem Kohlenstoff“. Seit Jahren spekulieren Wissenschaftler, dass dieses Isotopenverhältnis mit organischer Materie auf der Oberfläche zusammenhängen könnte (ein Zeichen für biologische Prozesse!). Doch nach der Analyse von Daten der ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO)-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) kam ein internationales Team unter Leitung der Open University im Vereinigten Königreich zu dem Schluss, dass die organischen Stoffe wahrscheinlich „abiologischen Ursprungs“ (d. h. nicht-biologischer Natur) seien. Die Forschung wurde von Juan Alday, einem Postdoktoranden an der Open University im Vereinigten Königreich, geleitet, unter Beteiligung von Mitgliedern der Atmospheric Research and Surface Exploration Group. Sie wurden außerdem vom Russischen Weltraumforschungsinstitut (IKI), dem Labor für Atmosphären-, Medien- und Weltraumbeobachtung (LATMOS) an der École Polytechnique in Frankreich und der Gruppe für Atmosphären-, Ozean- und Planetenphysik (AOPP) an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich unterstützt. Ihre Ergebnisse werden in einem Artikel mit dem Titel „Photochemical depletion of heavy CO isotopes in the Martian atmosphere“ berichtet, der kürzlich in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht wurde.

Abbildung 1. Der Marsrover „Perseverance“ der NASA ist erfolgreich auf der Marsoberfläche gelandet und hat die ersten Marsbilder zurückgesendet. Damit ist er der fünfte Marsrover der NASA, der erfolgreich gelandet ist (Bildquelle: NASA)

3. Nachweis der Marsatmosphäre mittels Isotopengeochemie

Von den Gasen in der Marsatmosphäre macht Kohlendioxid etwa 96 % aus, während Kohlenmonoxid einen sehr geringen Anteil (0,0557 %) ausmacht. Die relative Häufigkeit schwerer Kohlenstoffisotope in diesen Gasen (die nur 1,1 % der Kohlenstoffisotope in der Erdatmosphäre ausmachen) wird darauf zurückgeführt, dass im Laufe von Milliarden von Jahren bevorzugt „leichter Kohlenstoff“ (12C) in den Weltraum entweicht. Dies basiert teilweise auf jüngsten Messungen des Curiosity Rovers der NASA, die einen Rückgang des 13C-Gehalts in organischer Materie (Methangas) auf der Oberfläche zeigten.

Durch die Analyse dieser Isotopenanreicherung hoffen die Wissenschaftler, ein tieferes Verständnis der atmosphärischen Prozesse zu erlangen, die die Entwicklung des „Isotopenverhältnisses“ zwischen der oberen und unteren Atmosphäre erklären. Da Kohlenmonoxid (CO) und organische Moleküle in der Atmosphäre die gleiche 13C-arme Isotopensignatur aufweisen, hoffen die Wissenschaftler, Hinweise darauf zu finden, ob organische Prozesse – mögliche Indikatoren für Leben – am Werk waren. Zur Durchführung ihrer Forschung untersuchte ein von Dr. Alday geleitetes Team vertikale Profildaten von CO, die von der Atmospheric Chemistry Suite (ACS) von TGO erhalten wurden.

Die Suite besteht aus drei Infrarot-Echelle-Spektrometern, die die Kanäle Nahinfrarot (NIR), Mittelinfrarot (MIR) und Ferninfrarot (TIRVIM) abdecken. Seit 2016 sammeln diese Instrumente spektroskopische Daten der Marsatmosphäre und ermitteln anhand von Absorptionslinien, die auf das Vorhandensein verschiedener chemischer Elemente hinweisen, deren Zusammensetzung. Anschließend kombinierte das Team diese Daten mit einem photochemischen Modell, das den Verbrauch von Kohlenstoff und Sauerstoff aus atmosphärischen CO-Molekülen aufgrund von Wechselwirkungen mit der Sonnenstrahlung vorhersagt. Ihre Ergebnisse lassen darauf schließen, dass (entgegen früherer Annahmen) das Kohlenmonoxid (CO) in der Marsatmosphäre wenig schweren Kohlenstoff und viel leichten Kohlenstoff enthält. Dr. Alday erklärte in einer Pressemitteilung der Open University in Großbritannien: „Der Schlüssel zum Verständnis, warum CO weniger 13C enthält, liegt in der chemischen Beziehung zwischen CO2 und CO. Wenn Sonnenlicht CO2-Moleküle in CO zerlegt, werden 12CO2-Moleküle effizienter zerstört als 13CO2-Moleküle, was zu einer lang anhaltenden Verarmung des CO an 13C führt.“

Abbildung 2. 95 % der Marsatmosphäre bestehen aus Kohlendioxid (CO2) und nur 0,14 % aus Sauerstoff (O2) (Bildquelle: NASA)

Die Ergebnisse tragen dazu bei, eine langjährige Kontroverse darüber zu lösen, ob organische Materie auf der Marsoberfläche durch biologische oder abiotische Prozesse entstanden ist. Obwohl die Kohlenmonoxidmengen in der Marsatmosphäre verschwindend gering sind, sind sie wichtig für unser Verständnis der Entwicklung der Marsatmosphäre und des Marsklimas im Laufe der Zeit. Sie können einerseits Aufschluss darüber geben, unter welchen Bedingungen fließende und stehende Gewässer in der Vergangenheit existierten. Andererseits tragen diese Erkenntnisse, so enttäuschend sie auch sein mögen, dazu bei, die Suche nach früherem Leben auf dem Mars voranzutreiben. Dr. Arday sagte, das ultimative Ziel bestehe darin, festzustellen, ob auf dem Planeten lebensfreundliche Bedingungen herrschten und ob diese lange genug anhielten, damit Leben entstehen konnte: „Wir wissen nicht, wie die Atmosphäre des frühen Mars aussah oder unter welchen Bedingungen flüssiges Wasser auf der Oberfläche fließen konnte. Kohlenstoffisotope in der Marsatmosphäre können uns helfen, die CO2-Menge in der Vergangenheit abzuschätzen. Die neuen Messungen von ExoMars TGO zeigen, dass weniger CO2 in den Weltraum entwich als bisher angenommen. Dies liefert neue Erkenntnisse zur Zusammensetzung der frühen Marsatmosphäre.“

Die Forschung wurde durch die Unterstützung der britischen Weltraumbehörde ermöglicht, die die Forschung mit dem ACS-Spektrometer und der Atmospheric Research and Surface Exploration Group finanzierte. TGO ist Teil des größeren ExoMars-Programms, einer Zusammenarbeit zwischen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der russischen Raumfahrtagentur Roscosmos. Das Programm wird in den nächsten Jahren den Rover Rosalind Franklin zum Mars schicken, um die laufende Suche nach früherem (und vielleicht sogar gegenwärtigem) Leben auf dem Mars weiter zu unterstützen. (Ende)

Originalartikel: Alday, J., Trokhimovskiy, A., Patel, MR, Fedorova, AA, Lefèvre, F., Montmessin, F., ... Shakun, A. (2023). Photochemischer Abbau schwerer CO-Isotope in der Marsatmosphäre. Nature Astronomy, 7, 867-876. Link: https://www.nature.com/articles/s41550-023-01974-2

Der Artikel wurde übersetzt und nach folgendem Inhalt organisiert:

Der ExoMars Trace Gas Orbiter analysiert die Marsatmosphäre. Quelle: ESA/ATG medialab, VERÖFFENTLICHT AM 17. MAI 2023 VON MATT WILLIAMS. https://www.universetoday.com/161402/life-probably-didnt-have-a-hand-in-creating-organic-deposits-on-the-surface-of-mars/ .