Mars: Staub und Wolken verraten Dynamik der Atmosphäre

Staub und Wassereiswolken sind auf dem Mars allgegenwärtig. Sie regulieren das Klima des Planeten und können Messungen anderer atmosphärischer Komponenten verfälschen. Um ihre räumliche und zeitliche Variabilität besser zu verstehen, sind präzise Daten unerlässlich – besonders für die Verbesserung globaler Zirkulationsmodelle des Mars.

Ein internationales Forschungsteam um Anna Fedorova hat nun neun Marsjahre (von MY 28 bis MY 36) analysiert. Die Wissenschaftler nutzten Messungen des SPICAM-Infrarotspektrometers an Bord der ESA-Sonde Mars Express, um die Verteilung von Staub und Wassereiswolken zu untersuchen. Da das Instrument zwischen den beiden Partikeltypen nicht unterscheiden konnte, kombinierten die Forscher die Daten mit Messungen des Mars Climate Sounders und Vorhersagen globaler Klimamodelle.

Neue Erkenntnisse zur Höhenverteilung

Die Analyse zeigt, dass Staubpartikel während des Perihels – der sonnennächsten Position des Mars – bis in Höhen von 80 Kilometern aufsteigen können. Überraschenderweise bleibt ihre Größe mit zunehmender Höhe relativ konstant. Dies deutet darauf hin, dass die Verteilung von Staub auf dem Mars vor allem durch großräumige atmosphärische Dynamik und horizontalen Transport gesteuert wird. Turbulente Mischungsprozesse allein spielen eine untergeordnete Rolle.

Die Studie liefert zudem eine detaillierte saisonale und räumliche Klimatologie wichtiger atmosphärischer Phänomene auf dem Mars. Dazu gehören:

• Polar Hood Clouds: dichte Wolken, die sich in den Polargebieten bilden
• Aphelion Cloud Belt: eine markante Wolkenzone, die sich während des Aphels (sonnenfernster Punkt) um den Äquator legt
• Mesospheric Clouds: hochliegende Wolken in der Mesosphäre

Besonders auffällig: Während globaler oder regionaler Staubstürme wurden hochliegende Wolken in 70 bis 90 Kilometern Höhe nachgewiesen. Diese Beobachtung bestätigt, dass Staubstürme den Transport von Wasserdampf in die obere Atmosphäre verstärken – ein Prozess, der auch von den Instrumenten der Trace Gas Orbiter-Mission bestätigt wurde.

Großräumige Dynamik dominiert

Die Ergebnisse belegen, dass großräumige atmosphärische Strömungen – und nicht lokale Mischungsprozesse – die vertikale Verteilung von Aerosolen auf dem Mars steuern. Dies hat weitreichende Konsequenzen: Der Transport von Wasser in die obere Atmosphäre und die langfristige Klimadynamik des Planeten werden maßgeblich von diesen Prozessen beeinflusst.

Die Grafik zeigt, wie sich Wassereiswolken je nach Breitengrad und Jahreszeit (Ls, L_s) verändern. Die vier Teilabbildungen geben Aufschluss über:

• (a) die Höhe der Wolkenschicht in Kilometern
• (b) die optische Dicke (Mächtigkeit) der Wolke
• (c) die durchschnittliche Partikelgröße in Mikrometern
• (d) die Partikeldichte innerhalb der Schicht

Der Hintergrund zeigt die Staubkonzentration in der Atmosphäre (nach Montabone et al. [2015]): Rote Bereiche kennzeichnen hohe Staubwerte, dunkelblaue Bereiche geringe Konzentrationen. Offene Kreise markieren Regionen, in denen keine klaren Wassereiswolken nachgewiesen wurden.

„Diese Beobachtungen zeigen, dass die vertikale Verteilung von Aerosolen auf dem Mars vor allem durch großräumige atmosphärische Dynamik gesteuert wird. Dies hat wichtige Implikationen für den Transport von Wasser in die obere Atmosphäre und die langfristige Klimadynamik des Planeten.“

— Anna Fedorova et al., 2026

Methodik und Datenbasis

Für ihre Analyse nutzten die Forscher Solarokkultationsmessungen des SPICAM-Instruments, das seit 2004 an Bord von Mars Express den Roten Planeten umkreist. Die Kombination mit Daten des Mars Climate Sounders und Klimamodellen ermöglichte eine präzise Unterscheidung zwischen Staub und Wassereispartikeln. Die Studie deckt einen Zeitraum von neun Marsjahren ab – eine bisher einzigartige Langzeitbeobachtung.

Die Ergebnisse wurden im Journal of Geophysical Research: Planets veröffentlicht und bieten neue Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen Staub, Wolken und Klima auf dem Mars.