Seit Langem gehen die Planetenforscher davon aus, dass der Mars in seiner Frühzeit vor mehr als vier Milliarden Jahren von einer dichten Uratmosphäre umgeben war. Dafür sprechen die großen Talsysteme, die nachweislich über einige Millionen Jahre hinweg durch Erosion von Fließgewässern entstanden sind. Denn flüssiges Wasser, das die Oberfläche gestalten konnte, setzt bei der im Vergleich zur Erde geringeren Sonneneinstrahlung des Mars eine dichte Atmosphäre voraus, in der ein Treibhauseffekt für Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts des Wassers sorgt.

Diese Uratmosphäre bestand überwiegend aus Kohlendioxid mit Beimischungen von Stickstoff und Wasserdampf. Aber seitdem hat sich die Gashülle des Mars stark verändert, denn heute ist der Planet nur noch von einer äußerst dünnen Atmosphäre aus fast reinem Kohlendioxid umgeben. Sie erreicht im Mittel einen Oberflächendruck von nur rund sieben Millibar und ist damit viel zu dünn für flüssiges Wasser an der Oberfläche, denn es würde dort sofort verdampfen.

Eine Theorie zur Erklärung dieses drastischen Wandels der Marsatmosphäre geht davon aus, dass das Kohlendioxidgas in der Frühzeit mit den Gesteinen der Marsoberfläche chemisch reagierte und dabei in Form von Karbonatgesteinen fest gebunden und damit auf Dauer aus der Atmosphäre entfernt wurde.

Dieser Frage gingen nun die beiden Planetenforscher Christopher S. Edwards und Bethany L. Ehlmann vom California Institute of Technology in Pasadena nach. Sie werteten für ihre Arbeit Bilddaten der drei Raumsonden Mars Global Surveyor, Mars Reconnaissance Orbiter und Mars Odyssey aus und suchten nach Hinweisen auf Karbonatgesteine, umgangssprachlich Kalksteine. Sie stellten fest, dass auf dem Mars nur im Gebiet der Nili Fossae größere Ansammlungen von Karbonaten auftreten, ansonsten finden sich nur kleine, weit verstreute Ablagerungen mit geringen Mengen. Die Forscher halten es für unwahrscheinlich, dass es noch bislang übersehene größere Ablagerungen von Karbonaten auf dem Mars gibt.

Kalksteine im Bereich der Marsregion Nili Fossae (Falschfarbenaufnahme)
© NASA / JPL-Caltech / ASU / JHUAPL
(Ausschnitt)
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Mit Hilfe von Falschfarben-Infrarotaufnahmen der Marsregion Nili Fossae konnten Forscher das Vorkommen und die Menge an Karbonatgesteinen an der Oberfäche bestimmen. Im linken Teilbild ist eine Infrarotaufnahme des Instruments THEMIS an Bord der Sonde Mars Odyssey wiedergegeben. Die Farben zeigen unterschiedliche Temperaturen an. Die Aufnahme entstand auf der Nachtseite des Mars kurz nach Sonnenuntergang. Blaue Farbtöne entsprechen beispielsweise Sand, der rasch abkühlt und daher kälter ist. Rötliche Farbtöne weisen auf festes Gestein hin, das langsamer abkühlt und dadurch wärmer ist. Das rechte Teilbild enthält Daten des Infrarotspektrometers CRISM an Bord des Mars Reconnaissance Orbiter. Das Instrument beobachtet die Marsoberfläche in vielen einzelnen Wellenlängenbereichen und erlaubt so Rückschlüsse auf ihre Zusammensetzung. Grüne Farbtöne entsprechen karbonathaltigen Gesteinen, während braune, blaue und gelbe Farben auf karbonatarme Regionen aus vulkanischen Basaltgesteinen hinweisen.

Die beiden Planetologen ermittelten nun, wieviel Kohlendioxid in den Karbonaten insgesamt gebunden ist. Sie stellten fest, dass die Karbonatgesteine maximal nur etwa doppelt so viel Kohlendioxid enthalten wie in der heutigen Marsatmosphäre. Das ist jedoch viel zu wenig, um einen feuchten, warmen und lebensfreundlicheren Planeten in der Frühzeit des Mars zu folgern. Tatsächlich wäre dafür etwa das 35-Fache der jetzt nachgewiesenen Menge an Karbonaten notwendig.

Mit diesem Ergebnis wird es immer wahrscheinlicher, dass Mars schon früh nach seiner Entstehung einen großen Teil seiner Atmosphäre durch Diffusion an den Weltraum verloren hat und dass die Gase daher auch nicht in den Gesteinen seiner Kruste chemisch gebunden werden konnten. Die Schwerkraft des Mars ist nämlich zu gering, um eine dichte Atmosphäre auf Dauer festzuhalten. Auch heute noch verliert der Rote Planet viele Tonnen an Gas pro Sekunde aus seiner Atmosphäre.

Derzeit ist die NASA-Raumsonde MAVEN dabei, diesen Verlust quantitativ exakt zu bestimmen. Auch massenspektrometrische Untersuchungen des Marsrovers Curiosity zeigen, dass offenbar ein großer Teil des ursprünglichen Kohlendioxids ins All entwichen sein muss. Die beiden Forscher vermuten, dass der Mars schon bei der Entstehung der Talysteme nie richtig warm und feucht war, sondern eher kalt und feucht, da die Atmosphäre wohl schon zu dieser Zeit ziemlich ausgedünnt war. Somit konnten sich gar keine großen Karbonatablagerungen mehr bilden. Edwards und Ehlmann nehmen daher an, dass es anstatt Regen auf dem Planeten eher Schnee und Eis gab. Nur gelegentlich musste die Temperatur eine Weile über den Gefrierpunkt steigen, so dass das Wasser in größeren Mengen auftauen und fließen konnte, wodurch dann die weit verbreiteten Talsysteme entstanden sind.