Zahlreiche Raumfahrtmissionen haben derzeit unseren Nachbarplanten Mars zum Ziel, um ihn besser kennenzulernen. Langfristig soll hier sogar eine Weltraumkolonie errichtet werden, die man als Basis für weitere Weltraum-Expeditionen braucht, die aber auch im Hinblick auf drohende Katastrophen, vor allem Einschlägen von Himmelskörpern oder eines ökologischen Desasters auf der Erde, als Überlebensversicherung dienen könnte. Wenn die Ressourcen des Mars genutzt würden, glauben die Wissenschaftler, könnte man hier überleben.
Der Nachbarplanet
Der Mars ist der am weitesten – nämlich 228 Millionen Kilometer – von der Sonne entfernte Gesteinsplanet. Er besitzt mit Phobos und Daimos zwei der winzigsten Monde unseres Sonnensystems mit einem Durchmesser von jeweils weniger als 25 Kilometern. Unser Nachbarplanet selbst ist halb so groß wie die Erde, sein Durchmesser beträgt 6787 Kilometer und er besitzt nur 1/10 ihrer Masse Seine Gravitation beträgt 1/3 der Erdanziehung; sein Magnetfeld ist 800mal schwächer als das der Erde.
Das Marsjahr hat 687 Tage, der Marstag ist nur eine halbe Stunde länger als der Erdentag. Die Rotationsachse des „Roten Planeten“ ist ähnlich wie die der Erde um 25,2° gegen die Bahnebene geneigt. Langfristig variiert der Neigungswinkel beim Mars allerdings stark und chaotisch zwischen 0° und 60°, da die Rotation nicht von einem größeren Mond stabilisiert wird wie bei unserem Heimatplaneten. Ursache für die sprunghaften Veränderungen sind vor allem die Gravitationswirkungen der Riesenplaneten Jupiter und Saturn. Zudem schwankt die Form der Umlaufbahn des Mars ganz erheblich zwischen Kreis und Ellipse. Alle 15 Jahre kommt der Mars bis auf 55 Millionen Kilometer an die Erde heran, das letzte Mal 2018.
Der Mars ist ähnlich aufgebaut wie die drei anderen Gesteinsplaneten des Sonnensystems (Merkur, Venus, Erde). Seine Hitze im Inneren stammt von der Gravitationsenergie und aus radioaktivem Zerfall. Der Planet besitzt heute eine kalte und trockene Atmosphäre, die zu 96% aus Kohlenstoffdioxid besteht. Hinzu kommen Argon und Stickstoff (je knapp 2%), sowie in Spuren Wasserdampf (0,02%) und andere Gase, wie z. B. Sauerstoff (0,14%). Da die Atmosphäre extrem dünn ist (1,2% der Dichte der Erdatmosphäre), bietet sie keinen wirksamen Schutz gegen Strahlung. Allerdings absorbiert der hohe Anteil an Feinstaub 40% der Sonneneinstrahlung, was großen Einfluss auf die Luftzirkulation und den Energietransport in der Atmosphäre hat. Der Luftdruck an der Oberfläche beträgt nur ein Hundertstel (0,6% = 6 Millibar) von dem auf der Erde und schwankt im Laufe der Jahreszeiten um 25%.
Die Oberflächentemperatur beträgt durchschnittlich ungefähr -33°C, schwankt aber wegen der sehr dünnen Atmosphäre zwischen -133°C und maximal +27°C. Flüssiges Wasser würde bei dem vorherrschenden niedrigen Atmosphärendruck verdunsten. Selbst das Eis hält sich, zumindest in einiger Entfernung von den Polen, nur ab einer gewissen Tiefe.
Äußerlich ist der Mars zweigeteilt: Den kraterübersäten Hochländern der Südhalbkugel, die knapp zwei Drittel seiner Oberfläche umfassen, steht im Norden eine bemerkenswert flache, fast kraterlose Senke gegenüber, das sog. Borealisbecken, dessen Ursprung bisher völlig ungeklärt ist. Mit Ausnahme der Polregionen (Eis!) bedeckt eine dichte Schicht feinkörnigen, roten Staubs, der Eisenoxide enthält, die Oberfläche des Mars. Riesige Stürme, Wirbel und Lawinen verteilen ihn über den gesamten Planeten. Manche der Wetter-und Klimazyklen auf dem Mars ähneln denen auf unserem Heimatplaneten, während andere auf Grund der Bahnparameter kein bekanntes Vorbild haben.
Mögliches Leben auf dem Mars
Eines der wichtigsten Ziele der Mars-Missionen ist u. a. auch die Suche nach extraterrestrischem Leben. Sicher glaubt heute keiner mehr, grüne Männchen auf dem Planeten zu finden. Aber primitives, einzelliges Leben könnte nach Meinung einiger Wissenschaftler hier entstanden sein und eventuell sogar bis heute überlebt haben. Die Bedingungen auf der Erde waren vor etwa vier Milliarden Jahren wohl keineswegs so bemerkenswert, dass die Ausbildung von Leben ein besonders unwahrscheinliches Ereignis wäre. Der Mars ist jedenfalls der einzige Planet in unserem Sonnensystem (außer der Erde), der die nötigen Ressourcen für Leben hat: Die Sonne als Energiequelle, Wasser, CO2 und Stickstoff in der Atmosphäre.
Wenn dann die Umweltbedingungen zudem noch so beschaffen waren, dass komplexe chemische Reaktionen stattfinden konnten, könnte Leben auch auf auf unserem Nachbarplaneten entstanden sein. Obwohl sich dieser heute recht unwirtlich, äußerst kalt und extrem trocken zeigt, gibt es zahlreiche Hinweise, dass Mars und Erde eine ähnliche Entstehungsgeschichte durchlaufen haben. In ihrer Frühzeit hatten vermutlich beide ein ähnliches Klima, eine dichte Atmosphäre und Flüsse und Seen, die das Landschaftsbild prägten.
Möglicherweise lag der Mars damals also in der sog. habitablen Zone oder Ökosphäre. Darunter versteht man allgemein die schmale Zone um das jeweilige Zentralgestirn herum, wo dessen Strahlung gerade so stark ist, dass die Temperatur auf der Oberfläche eines Planeten die Existenz von flüssigem Wasser erlauben würde. Allerdings wird der Begriff „habitabel“ (von lat. habitare = bewohnen) inzwischen etwas weiter gefasst. Wasser muss nicht so reichlich vorhanden sein wie auf der Erde. Schon Tümpel, Reservoirs unter der Planetenoberfläche, dünne Feuchtigkeitsschichten auf Gesteinskörnern oder geschmolzenes Eis von einem Meteoriteneinschlag reichen aus, damit entscheidende Vorstufen der Biochemie ablaufen können.
Frühzeit des Mars
Noch sind die Vorgänge über die Frühgeschichte des Mars heute allerdings in vielerlei Hinsicht unklar. Doch schon vor 4,5 Milliarden Jahren dürfte es auf dem Mars festes Gestein gegeben haben. Seine Oberfläche bestand die ersten 500 Millionen Jahre wohl aus Kontinentalplatten, die ständig in Bewegung waren. Der Planet war also geologisch aktiv – so wie die Erde heute. Die Plattentektonik erlahmte aber schon sehr früh.
Bis vor etwa 4,2 Milliarden Jahren brachten Asteroiden und Kometen Wasser und organische Moleküle auf den Mars. Durch die Einschläge wurde ein heftiger Vulkanismus ausgelöst, der vor etwa 4,3 bis 3,5 Milliarden Jahren, während der sog. Noachischen Epoche, das Gesicht des Planeten prägte. Die Zusammensetzung der Atmosphäre und das Klima waren den damaligen irdischen Verhältnissen durchaus ähnlich. Die Atmosphäre bestand wahrscheinlich aus Kohlenstoffdioxid, das insbesondere durch Vulkanismus freigesetzt wird und das auch heute noch wichtigster Bestandteil der Marsatmosphäre ist (s. o.). Der Vulkanismus könnte der Motor für die damals deutlich dichtere Atmosphäre gewesen sein, durch die es möglich war, dass der Mars auch in der Epoche der schwachen Sonne eine für flüssiges Wasser nötige Oberflächentemperatur aufrecht erhalten konnte.
Dafür, dass in der Frühzeit des Planeten Wasser floss, gibt es auch viele geologische Hinweise. So könnten feine dunkle Rinnen an den Hängen der Krater von flüssigem Wasser stammen. In den äquatorialen Hochländern von den nördlichen bis zu den südlichen mittleren Breiten des Mars findet man breite und meist weniger als hundert Kilometer lange, gewundene Flusstäler, wie sie für verzweigte Flusssysteme auf der Erde typisch sind. Die meisten sind über drei Milliarden Jahre alt. Die weitverzweigten Kanäle ergossen sich wahrscheinlich in einen riesigen Ozean, der die Hälfte der Nordhalbkugel des Roten Planeten bedeckte und der an manchen Stellen 1600 Meter tief war, das heutige Borealis-Becken.
Noch sind die genauen Ursachen all dieser Erosionsspuren allerdings nicht definitiv geklärt. Höchstwahrscheinlich sind wohl unterschiedliche geologische Prozesse an der Entstehung der Flusstäler beteiligt gewesen. Vielleicht entstanden wiederholt Wasserfluten nach Klimawechseln, bedingt durch Änderungen der Bahnparameter des Roten Planeten. So könnten einer Theorie nach die Fließspuren an den Hängen der Mars-Krater und in ihrer Umgebung auf heftige Regenfälle zurückgehen. Aber auch Schmelzwasser bei Vulkanausbrüchen und anderen geologischen Aktivitäten sind denkbar. Modellrechnungen zufolge könnten auch Meteoriteneinschläge die Quelle von brachialen Fluten gewesen sein. Dafür spricht, dass die großen Krater und die Fluss-Systeme etwa gleich alt sind – über 3,8 Milliarden Jahre. Um aber große fließende Gewässer auf seiner Oberfläche beherbergen zu können, mussten Treibhausgase den Planeten in gewissem Maße aufheizen. Kohlenstoffdioxid hat dazu wohl nicht allein ausgereicht. Wasserdampf könnte beispielsweise daran mitgewirkt haben, die Temperaturen über dem Gefrierpunkt zu halten, falls geochemische Prozesse ständig Wasserstoff nachlieferten.
Nach anderen Erkenntnissen war unser Nachbarplanet in seiner Frühzeit wahrscheinlich größtenteils von Schnee bedeckt. Vermutlich, so ergaben die Simulationen der Forscher, lag die durchschnittliche Temperatur des Planeten bei -50°C. Danach war der frühe Mars eher ein Eisplanet, auf dem Vulkane, Meteoriteneinschläge und schwankende Jahreszeiten immer wieder eine Teil der Gletscher einschmelzen ließen. In diesem Fall wären es dann Abflüsse unter dem Eis gewesen, die der Marsoberfläche ihre heutige Form gegeben haben.
Es kam aber immer wieder auch zu feuchteren und milderen Episoden, in denen es Flüsse und eisbedeckte Seen gab. Diese milden Klimaphasen wurden durch Ausbrüche des starken Klimagases Methan aus dem Mars-Boden ausgelöst – zurückzuführen wahrscheinlich auf starke Schwankungen der Rotationsachse des Planeten. Demnach könnte es in ausgewählten Gebieten tatsächlich Flüsse und Seen gegeben haben, während viele andere Gebiete wohl von dickem Eis bedeckt waren. Die lebensfreundlichen Phasen sollen jeweils bis zu einer Million Jahre gedauert haben.
Vermutlich war der heute rötliche Planet also zumindest eine Zeitlang blau und besaß in den ersten 800 Millionen Jahren größere Mengen an flüssigem Wasser – das, wie erwähnt, vielleicht aber auch nur phasenweise. Die folgenden grob geschätzten 600 Millionen Jahre (das Hesperian) markieren den Übergang vom frühen teilweise nassen Mars zum eisigen Planeten heute. Er verlor Stück für Stück seine Atmosphäre und Lebensfreundlichkeit. Vermutlich konnte der Planet seine Atmosphäre aufgrund seiner geringen Schwerkraft (ein Drittel der Erdanziehung) nur so lange halten, wie die Vulkane ständig Gas nachlieferten. Als die Eruptionen nachließen, entwichen die atmosphärischen Gase in den Weltraum und gefroren an den Polen. Nicht einmal eine Milliarde Jahre nach seiner Entstehung hatte der Mars den Großteil seiner Atmosphäre verloren. In stark gebremsten Tempo dauerte der Verlust der Mars-Atmosphäre vermutlich bis in die jüngere geologische Vergangenheit an.
Die amazonische Periode
In den letzten rund drei Milliarden Jahren, der amazonischen Periode, war es zwar auf dem Planeten kalt und sehr trocken, aber noch vor zwei Milliarden Jahren könnte es durchaus lebensfreundliche Phasen gegeben haben. Dass es damals und auch später noch Warmphasen gab, führen Wissenschaftler auf vulkanische Aktivitäten zurück. Dadurch freigesetzte Gase könnten sich in der Atmosphäre angereichert und Wärme gespeichert haben, so dass das Eis im Boden schmolz und sich in Senken sammelte. Eine letzte Warmperiode soll es auf dem Mars vor vielleicht 300 Millionen Jahren gegeben haben. Bilder der Marssonde Global Surveyor weisen auf Ausbrüche von flüssigem Wasser noch in jüngster Zeit hin.
[Vielleicht gibt es auch noch Vulkanismus auf dem Mars, zumindest muss der Planet noch bis vor kurzem vulkanisch aktiv gewesen sein. Neuere Beobachtungen dokumentierten frische Ablagerungen und Krater, kaskadierende Erdrutsche und vielleicht kleine Wasserausbrüche.]
Teils könnte Wasser versickert und in Permafrostböden gebunden sein, teils könnte es sich noch heute als Eis über weite Bereiche der nördlichen Ebenen erstrecken, allerdings von Staub und Sand bedeckt. Auch unter den südlichen Hochländern ab einem halben Meter Tiefe wird ein Gemenge aus Staub und und vielleicht riesigen Mengen von Wassereis vermutet. Teile der nördlichen und südlichen Polkappe enthalten heute ebenfalls große Mengen davon; hinzu kommt gefrorenes Kohlendioxid. Unter dem Eispanzer des Marssüdpols könnte es in eineinhalb Kilometern Tiefe ein 20 Kilometer breites Reservoir flüssigen Wassers geben. Ob es ein richtiger See ist, eine Art Schlamm oder wassergesättigtes Sediment, können die Wissenschaftler allerdings noch nicht sagen.
Ein Drittel des Wasser- und Kohlendioxid-Eises an den Polen verdampft jährlich und schlägt sich teilweise später wieder auf dem Boden nieder. Die Polkappen wachsen und schrumpfen so mit den Jahreszeiten. Rechnungen zeigen aber auch, dass der Mars in den letzten zwei Milliarden Jahren so viel Wasserdampf ans All verloren hat, dass man damit den ganzen Mars 160 Meter tief unter Wasser setzen könnte.
Nach neueren Erkenntnissen bahnt sich derzeit ein Klimawandel auf dem roten Planeten an, vermutlich ausgelöst durch einen Anstieg der Sonnenintensität. Setzt sich dieser Vorgang fort, nähme die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre schon in zehn Jahren um 1% zu, was einen Treibhauseffekt und damit eine weitere Erwärmung zur Folge hätte. Langfristig könnte sich so der Luftdruck auf dem Mars verdoppeln.
Indizien für Leben
Wenn Leben unter terrestrisches Bedingungen wirklich leicht entsteht, geschah das unter entsprechenden Bedingungen vielleicht auch auf dem Mars. Die meisten Wissenschaftler vermuten, dass vor etwa 3,1 bis 3,8 Milliarden Jahren lange genug eine feuchte und chemisch stabile Umgebung existiert haben könnte, um grundsätzlich Leben, zumindest in einfacher Form, zu ermöglichen. Wenn es für seine Existenz auch (noch) keinen Beleg gibt, so steht doch fest, dass die wichtigsten Zutaten dafür vorhanden waren.
Einige Wissenschaftler halten den Zerfall radioaktiver Elemente und die Wärme, die beim Zusammenballen des Planeten selbst entstand, für mögliche Wärmequellen von hydrothermalen Systemen. Tatsächlich entdeckte der Rover „Spirit“ in den Columbia Hills des Mars im Jahre 2008 Ablagerungen, die vermutlich von heißen Quellen stammen. Forscher haben diese auf ein Alter von 3,65 Milliarden Jahren datiert. Wenn die Entstehung des Lebens auf der Erde nach einer plausiblen Theorie möglicherweise auf Geothermalquellen zurückgeht, wäre auch der Mars ein vielversprechender Bewerber für Leben. Es scheint also durchaus nicht ausgeschlossen zu sein, dass einst Leben auf dem Mars wie auf der Erde entstanden ist.
Unser Nachbarplanet hat in seiner Frühzeit wohl auch ein beachtliches Magnetfeld besessen, das vor kosmischen und solaren Teilchen schützte – eine Voraussetzung, dass sich eine belebte Welt entwickeln konnte. Beschaffenheit und chemische Zusammensetzung von Meteoritengestein ist ebenfalls verträglich mit der Annahme, dass vor drei bis vier Milliarden Jahren Mikroorganismen auf dem Mars existierten. Es gibt sogar Hinweise auf Methangas, das vielleicht sogar biologischen Ursprungs war. Dass es auf dem Mars sogar organische Makromoleküle gibt, gehört zu den wichtigsten Entdeckungen in den letzten Jahren. So wurden diverse Kohlenwasserstoffe nachgewiesen, die auf der Erde in Kohle und Erdöl vorkommen. Sie werden z. B. in Stoffwechselprozessen von Mikroben durch Sulfat-Reduktion gebildet. Im Prinzip kann jedoch jede Struktur, die von Lebewesen gebildet wird, auch durch einen rein physikalischen oder geochemischen Prozess entstanden sein.
Sollte aber Leben auf dem Mars existiert haben, könnte es auch wieder ausgestorben sein – und in diesem Falle müsste man nach Fossilien suchen. Doch solche Relikte werden schwer zu finden sein. Allerdings schließen die Wissenschaftler bei den zeitweiligen Plus-Temperaturen in Äquatornähe nicht ganz aus, dass es selbst heute noch Mikroorganismen auf dem Mars gibt. Doch die Chancen dafür sind sehr gering, da es kein strömendes Wasser gibt, die UV-Strahlung nicht oder kaum durch eine Atmosphäre abgemildert wird und die Temperatur an der Oberfläche extrem niedrig ist.
Vielleicht haben sich die Mikroben aber, als es an der Oberfläche zu kalt und zu trocken wurde, in Refugien des Planeten zurückgezogen – vielleicht in Salzseen oder tiefere Regionen, die durch die Wärme des Marsinneren vom Dauerfrost verschont blieben. Die Möglichkeit, dass unter der Oberfläche unseres Nachbarplaneten einst Mikroorganismen hausten – oder gar heute noch existieren -, wird gestützt durch die Entdeckung von Mikroben im Tiefengestein der Erde, die völlig ohne Sauerstoff auskommen und sich buchstäblich nur von Wasser und Stein ernähren. Umstritten ist aber, ob heute tatsächlich noch genügend Wasser im Marsboden existiert, damit hier Mikroben leben können. Allerdings könnten einfache Organismen Mechanismen entwickelt haben, um Trockenphasen zu überdauern, wie z. B. irdische Bakteriensporen, die als Dauerform selbst ein Vakuum über lange Zeiträume überleben können.
Der Astrobiologe Rhawn Gabriel Joseph glaubt sogar, dass der Mars vermutlich noch immer von Leben besiedelt ist – und nicht nur von Bakterien, sondern auch von Algen, Flechten und Pilzen. Als Indiz, dass Organismen auch schon Sauerstoff durch Fotosynthese produzieren, sieht er die nachgewiesene saisonale Zunahme des sehr geringen Sauerstoff-Gehalts in der Mars-Atmosphäre (im Frühjahr und Sommer um 30% höher) an. Seine Behauptungen halten andere Wissenschaftler zwar für nicht unmöglich, aber sehr schwer vorstellbar.
Die meisten Planetenforscher sind inzwischen davon überzeugt, dass der Planet selbst in seiner Jugend nur sporadisch bewohnbar war. Die Forscherin Frances Westall vermutet, dass Leben zwar auf dem Nachbarplaneten aufgeflackert sein könnte – etwa in Seen, die sich nach Meteoriteneinschlägen oder größeren Vulkanausbrüchen bildeten. Aber „es gab kaum Spielraum für die Evolution“, meint sie. Die Biophysikerin geht davon aus, dass es die Marsianer – falls es sie denn gab – nicht einmal bis zum Bakterienstadium geschafft haben.
Weitere mögliche Lebensinseln im Sonnensystem
Der Mars ist aber auf jeden Fall viel weniger lebensfreundlich im Vergleich mit den fernen Monden Europa (Jupitermond), Titan und Enceladus (Saturn-Monde). Auch sie werden als mögliche „Lebensinseln“ im Universum diskutiert.
Der Jupitermond Europa ist ungefähr so groß wie der Erdenmond. Er ist neben der Erde der einzige Himmelskörper in unserem Sonnensystem, der eine aktive Plattentektonik hat. Astronomen entdeckten eine Subduktionszone, an der rund 20 000 Quadratkilometer Oberflächeneis in der Tiefe verschwunden sind – ein Indiz dafür, dass sich eine tektonische Platte über eine andere geschoben hat. Der Himmelskörper besitzt eine extrem dünne Gashülle aus molekularem Sauerstoff. Die Temperatur an der Oberfläche beträgt am Äquator -160°C und an den Polen -220°C. Unter einem dichten, nur wenige Kilometer dicken Eispanzer schlummert vermutlich ein ausgedehnter Ozean, der wahrscheinlich von Gezeitenkräften (Schwerefeld des Jupiter!) und radioaktivem Zerfall im Mantel erwärmt wird.
Der Saturnmond Titan ist das einzige planetarische Objekt in unserem Sonnensystem, das eine Atmosphäre aus Stickstoff (N2) und Methan (CH4) besitzt, die sogar eineinhalb Mal dichter ist als die der Erde. Teilchen aus dem Sonnenwind lösen chemische Reaktionen aus, bei denen die Moleküle der Atmosphärengase gespalten werden und sich zu einem reichen Arsenal komplexer organischer Moleküle und langer Molekülketten zusammenschließen können – ein Vorgang, der sich auch auf der frühen Erde abgespielt haben könnte. Die massenhaft produzierten Moleküle regnen langsam auf seine Oberfläche hinab und bilden dort eine dicke Schicht aus organischem Schlamm. Unter der eisigen Oberfläche dürfte es einen Ozean aus Wasser und Ammoniak geben. Hier könnte Leben existieren, das sich biochemisch nicht sehr von dem auf der Erde unterscheidet. Chemiker haben sich aber auch alternative biochemische Modelle überlegt, die mit flüssigen Kohlenwasserstoffen funktionieren könnten.
Der kleine eisbedeckte Saturnmond Enceladus gilt als einer der vielversprechendsten Orte in unserem Sonnensystem, um nach Leben zu suchen. Am Südpol des Minimondes liegt tief unter dem Eis ein salziger Ozean, der 30 bis 40 Kilometer tief und mindestens 10 Kilometer mächtig ist. Am Grund des Meeres soll es Temperaturen von +90°C bis vielleicht über 200°C und alkalische pH-Werte (zwischen 9 und 10,5) geben. Hier finden wahrscheinlich hydrothermale Prozesse statt. Unklar ist, woher die Wärme letztlich stammt. In dem See gibt es Hinweise auf sehr große organische Moleküle mit teils mehr als 1000 Atommassen. Die Raumsonde Cassini wies in den Fontänen von Wasserdampf und Eispartikeln, die von Geysiren Hunderte Kilometer hoch ins All geschossen werden, organische Substanzen (z. B. Methan) nach. Auf keinem anderen Himmelskörper passen nach aktuellem Wissensstand alle Umstände besser zusammen als hier, um die Frage nach einer weiteren Entstehung von Leben zu beantworten.
Modellrechnungen lassen aber durchaus denkbar erscheinen, dass die gegenwärtige Aktivität des Saturnmondes nur eine vorübergehende Erscheinung ist. Womöglich wechselt der Mond zwischen aktiven und passiven Perioden, die jeweils viele Millionen Jahre anhalten, hin und her. Gegen Enceladus als Ort des Lebens spricht auch seine geringe Größe mit einem Durchmesser von 504 Kilometern. Vermutlich ist sein Inneres im Laufe seiner Geschichte immer mal wieder komplett gefroren – was möglichen Bewohnern den Garaus gemacht hätte.
REM
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