Eine Visualisierung der elektrischen Ströme rund um den Mars. (NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr) Mars ist ein ausgedörrter Planet, der von globalen Staubstürmen beherrscht wird. Es ist auch eine eiskalte Welt, in der die nächtlichen Wintertemperaturen an den Polen auf minus 140 °C (minus 220 °F) sinken.
Aber es war nicht immer eine trockene, karge, eiskalte, unwirtliche Einöde. Früher war es ein warmer, feuchter, fast einladender Ort, an dem flüssiges Wasser über die Oberfläche floss, Seen füllte, Kanäle formte und Sedimentdeltas hinterließ.
Doch dann verlor sie ihr Magnetfeld und ohne den Schutz, den sie bot, zerstörte die Sonne die Atmosphäre des Planeten. Ohne seine Atmosphäre kam als nächstes das Wasser.
Jetzt ist der Mars der Mars, den wir schon immer kannten: Ein Ort, den nur Roboterrover als gastfreundlich empfinden.
Wie genau hat es seine magnetische Abschirmung verloren? Darüber rätseln Wissenschaftler schon lange.
Eine magnetische Abschirmung ist für den Erhalt der Erdatmosphäre und deren Bewohnbarkeit von entscheidender Bedeutung. Ohne sie würde die Erde dem Mars ähneln. Aber die Erde behielt ihren Schutz, der Mars jedoch nicht. Auf der Erde wimmelt es also von Leben, wie Carl Sagan es ausdrückte, während es auf dem Mars wahrscheinlich überhaupt kein Leben gibt.
Auf dem Mars gibt es noch einen schwachen Rest eines Magnetfelds, das von seiner Kruste ausgeht, aber es handelt sich um ein schwaches Phänomen, das wenig Schutz bietet.
Der Verlust seiner Magnetosphäre war für den Mars katastrophal. Wie ist es passiert?
Ein neuer Studie veröffentlicht in Naturkommunikation versucht, diese Frage zu beantworten, wie viele Studien zuvor. Der Titel lautet „Schichtung in Planetenkernen durch flüssige Unmischbarkeit in Fe-S-H“. Die Hauptautoren sind Kei Hirose vom Department of Earth and Planetary Science der Universität Tokio und Ph.D. Student Shunpei Yokoo im Hirose-Labor.
Der Erdkern erzeugt einen Magneteffekt, der die Magnetfelder unseres Planeten erzeugt. Es gibt einen festen inneren Kern und einen äußeren flüssigen Kern.
Wärme fließt vom inneren Kern zum äußeren Kern und erzeugt Konvektionsströme im äußeren flüssigen Kern. Die Konvektionsströme fließen in Mustern, die durch die Rotation des Planeten, den inneren Kern und den Coriolis-Effekt erzeugt werden. Dadurch entsteht die Magnetosphäre des Planeten.
Die Magnetosphäre umhüllt die Erde wie eine schützende Decke. Der Sonnenwind der Sonne trifft auf die Magnetosphäre und die Magnetosphäre zwingt ihn, um den Planeten zu strömen, anstatt die Atmosphäre oder die Oberfläche zu erreichen.
Die Magnetosphäre ist keine Kugel: Der Sonnenwind bringt die Magnetosphäre in eine asymmetrische Form. Die Magnetosphäre verhindert, dass der Sonnenwind die Erdatmosphäre zerstört. Ohne sie wäre die Erde trocken, tot und unfruchtbar, genau wie der Mars.
Was ist also mit dem Mars passiert?
„Das Magnetfeld der Erde wird durch unvorstellbar große Konvektionsströme geschmolzener Metalle in ihrem Kern angetrieben.“ „Es wird angenommen, dass Magnetfelder auf anderen Planeten auf die gleiche Weise wirken“, sagte Hirose sagte in einer Pressemitteilung .
„Obwohl die innere Zusammensetzung des Mars noch nicht bekannt ist, deuten Meteoritenbefunde darauf hin, dass es sich um mit Schwefel angereichertes geschmolzenes Eisen handelt.“ Darüber hinaus zeigen seismische Messungen der NASA-Sonde InSIGHT an der Oberfläche, dass der Marskern größer und weniger dicht ist als bisher angenommen. „Diese Dinge deuten auf das Vorhandensein zusätzlicher leichterer Elemente wie Wasserstoff hin.“
NASAs InSIGHT-Lander hatte Mühe, alle seine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen. Es wurden jedoch einige entscheidende Beweise für die innere Struktur des Mars gesammelt. Wenn die Ergebnisse von InSIGHT korrekt sind und der implizierte Wasserstoff vorhanden ist, gibt es eine Grundlage für Experimente, die mehr über den verlorenen magnetischen Schutzschild des Mars enthüllen könnten.
(NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr)
Über einem Visualisierung der elektrischen Ströme rund um den Mars. Elektrische Ströme (blaue und rote Pfeile) umhüllen den Mars in einer verschachtelten Doppelschleifenstruktur, die den Planeten kontinuierlich von seiner Tag- bis zu seiner Nachtseite umhüllt. Diese Stromschleifen verzerren das Magnetfeld des Sonnenwinds (nicht abgebildet), das sich um den Mars legt und eine induzierte Magnetosphäre um den Planeten erzeugt.
„Mit diesem Detail bereiten wir Eisenlegierungen vor, von denen wir erwarten, dass sie den Kern bilden, und unterziehen sie Experimenten“, sagte Hirose sagte .
Frühere Experimente untersuchten das Verhalten von Planetenkernen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen. Aber sie haben sich nicht auf Wasserstoff konzentriert.
„Neueste Theorien zur Planetenentstehung zeigen, dass während ihrer Akkretionen große Mengen Wasser sowohl zum Mars als auch zur Erde transportiert wurden, was darauf hindeutet, dass Wasserstoff möglicherweise ein wichtiges leichtes Element im Kern ist“, so die Autoren erklären in ihrer Arbeit. „Trotz seiner Bedeutung wurde das Fe-S-H-System bei hohen Drücken bisher kaum untersucht.“
Wenn die Daten von InSIGHT jedoch korrekt sind, könnte der Wasserstoff im Fe-S-H-Kern eine Rolle beim Zusammenbruch des Marsmagnetfelds spielen.
Die Forscher stellten eine Materialprobe her, die dem entsprach, woraus ihrer Meinung nach der Kern des Mars einst bestand. Es enthielt Eisen, Schwefel und Wasserstoff – Fe-S-H. Sie platzierten die Probe in einem Gerät namens Diamantamboss oder Diamantambosszelle (DAC).
Die in den Experimenten verwendete Diamant-Ambosszelle. (Yokoo et al.)
Ein Diamantamboss komprimiert Proben zwischen zwei kleinen Diamantplatten. Diamanten können extremen Drücken im Amboss standhalten, da sie unter extremem Druck tief im Erdinneren geschmiedet werden.
Der DAC kann mikroskopische Proben einem Druck von Hunderten von Gigapascal aussetzen. Ein Laser erhitzte die Probe, so dass die Bedingungen den Kern des Mars simulierten. Während das Team die Probe höheren Temperaturen und Drücken aussetzte, beobachteten sie sie mit Röntgen- und Elektronenstrahlen, um Veränderungen im Material zu verfolgen. Die Fe-S-H-Probe schmolz nicht nur, sondern veränderte auch ihre Zusammensetzung.
Die Ergebnisse des Experiments basieren auf der Idee der Mischbarkeit. Wenn Materialien zusammengefügt werden und eine homogene Mischung entsteht, sind sie mischbar. Wenn Materialien zusammengefügt werden und keine homogene Mischung entsteht, sind sie nicht mischbar. Die Unmischbarkeit von Fe-S-H bei hohen Temperaturen und Drücken spielte eine bedeutende Rolle in der Planetengeschichte des Mars.
„Wir waren sehr überrascht, ein bestimmtes Verhalten zu sehen, das vieles erklären könnte“, sagte Hirose sagte in einer Pressemitteilung. „Das zunächst homogene Fe-S-H trennte sich in zwei unterschiedliche Flüssigkeiten mit einem Grad an Komplexität, der unter solchen Drücken noch nie zuvor gesehen wurde“, sagte Hirose. „Eine der Eisenflüssigkeiten war reich an Schwefel, die andere reich an Wasserstoff, und dies ist der Schlüssel zur Erklärung der Entstehung und des schließlichen Todes des Magnetfelds um den Mars.“
Hirose und sein Team glauben, dass sich zunächst zwei nicht mischbare Flüssigkeiten im Marskern trennten.
„Während abgetrennte dichtere Flüssigkeiten im tiefsten Teil verblieben, wanderten leichtere Flüssigkeiten nach oben und vermischten sich mit dem flüssigen Hauptkern, was die Konvektion im Marskern antreiben könnte“, sagten sie schreiben .
Aber in der Region, in der sich die beiden Flüssigkeiten trennten, geschah etwas anderes. „Gleichzeitig sollte sich in einer Region, in der die Flüssigkeitstrennung stattfand, eine gravitativ stabile Schichtung der Zusammensetzung entwickelt haben.“ „Schließlich wurde der gesamte Kern des Mars geschichtet, wodurch die Konvektion aufhörte.“
(Yokoo et al., Nat. Commun., 2022)
Über: Diese Abbildung aus der Arbeit zeigt, wie der Kern des Mars und der Kern der Erde ähnlich begannen und sich dann im Laufe der Zeit veränderten. Hell- und Dunkelblau stehen für schwimmfähige bzw. dichte Flüssigkeiten.
Wissenschaftler wussten bereits, wann die Konvektion aufhörte und der Mars seinen magnetischen Schutzschild verlor. Das geschah vor etwa 4 Milliarden Jahren. Diese Studie erklärt, warum die Konvektion aufhörte und zum Verlust der magnetischen Abschirmung führte.
Es erklärt auch, wie es begann. „Die Trennung nicht mischbarer S-reicher und H-reicher Flüssigkeiten könnte sowohl für den Beginn als auch für das Ende der Kernkonvektion und der Dynamowirkung des Mars verantwortlich sein“, so die Forscher schreiben in ihrer Arbeit.
Sobald sich die beiden Flüssigkeiten trennten, war der Mars dem Untergang geweiht. Es gab keine Konvektion mehr, keinen Magnetismus mehr, keine Atmosphäre und kein Wasser mehr. Der genaue Zeitrahmen ist unbekannt, aber das Ergebnis war ein toter Planet.
Dies ist jedoch nur eine Studie und wir haben kein vollständiges Bild. „Mit Blick auf unsere Ergebnisse wird die weitere seismische Untersuchung des Mars hoffentlich bestätigen, dass der Kern tatsächlich in verschiedenen Schichten vorliegt, wie wir es vorhergesagt haben.“ sagte Hirose. „Wenn das der Fall ist, würde es uns helfen, die Geschichte der Entstehung der Gesteinsplaneten, einschließlich der Erde, zu vervollständigen und ihre Zusammensetzung zu erklären.“
Wir wissen, dass die Erde nicht ewig bewohnbar bleiben wird. In etwa 5 Milliarden Jahren wird die Sonne in ihre Phase des Roten Riesen eintreten und die Erde zerstören. Aber auch unser magnetischer Schutzschild wird nicht ewig halten, und ohne ihn sind wir dem Untergang geweiht. Was wird zuerst passieren? Untergang durch Verlust der Magnetosphäre? Oder der Untergang eines roten Riesen?
„Und Sie denken vielleicht, dass auch die Erde eines Tages ihr Magnetfeld verlieren könnte“, sagte Hirose sagte , „Aber keine Sorge, das wird erst in mindestens einer Milliarde Jahren passieren.“
Wir haben also eine Milliarde Jahre. Verschwenden wir es nicht.
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Universum heute . Lesen der Originalartikel .