Was Atmosphären angeht, ist sie größtenteils verschwunden. Zugegeben, wenn man mit der Geschwindigkeit eines Meteoriten in die Marsatmosphäre eindringt, wie es der fehlgeleitete Mars Climate Observer im September getan hat, ist immer noch genug Atmosphäre vorhanden, um einen zu zerreißen. Aber unter den meisten anderen Umständen ist sie eine schlechte Ausrede für eine Atmosphäre. An der Oberfläche des Planeten beträgt der Druck gerade einmal 1 Prozent des Drucks auf der Erde.

Warum sollte der Mars so wenig Atmosphäre haben, wenn Venus und Erde so viel haben? Obwohl er vielleicht einfach so geboren wurde, gibt es viele Hinweise darauf, dass die Atmosphäre einst viel dicker war – zum Beispiel Spuren von Wasser. Heute ist die Marsoberfläche kalt und äußerst karg. Aber die Oberfläche trägt untrügliche Zeichen dafür, dass flüssiges Wasser einst durch Flutkanäle und Täler strömte, Uferlinien in Kratern hinterließ und vielleicht sogar Ozeane im Großen Nördlichen Becken gebildet hat. Bei einer Durchschnittstemperatur von etwa -53 ¡C ist es schwer, nass zu sein, also bedeutet flüssiges Wasser Wärme. Und Wärme bedeutet eine dicke, isolierende Atmosphäre, voll mit wärmenden Treibhausgasen wie Kohlendioxid.

Wenn die Marsatmosphäre einst viel dicker war, wo ist dann das ganze Gas hin? Trotz intensiver Suche weiß das niemand. Aber im vergangenen Jahr hat der Mars Global Surveyor der NASA – der selbst die Atmosphäre zum Bremsen und Ändern der Umlaufbahn nutzte – Informationen gesammelt, die diese Frage beantworten könnten. Und die Ergebnisse entsprechen ganz und gar nicht den Erwartungen seiner Konstrukteure.

In den 1980er Jahren entwickelten Forscher eine Theorie, warum der Mars einst warm und feucht war. Sie berechneten zunächst, wie viel CO2 nötig wäre, um das Marseis zu schmelzen und Wasser fließen zu lassen, und kamen auf einen Wert zwischen 5 und 10 bar (ein bar ist der Druck von etwa einer Erdatmosphäre). Das ist ziemlich viel für einen Planeten, auf dem heute nur noch wenige Millibar herrschen, so dass sie erklären mussten, wohin das CO2 seitdem verschwunden sein könnte. Nach ihrem Bild hat die Atmosphäre den Samen ihrer eigenen Zerstörung gesät.

Wenn flüssiges Wasser vorhanden ist, wird eine CO2-Atmosphäre instabil – das Gas löst sich auf, verwittert chemisch das Silikatgestein auf der Planetenoberfläche und wird schließlich in Form von Karbonaten eingeschlossen. Der Beweis liegt unter Ihren Füßen. Es gab eine Zeit, in der CO2 die Erdatmosphäre beherrschte, die wahrscheinlich viel dicker war als heute. Heute ist das CO2 trotz der eifrigen Versuche der Menschheit, die Sache wieder in Ordnung zu bringen, auf eine Spur seines früheren Glanzes geschrumpft und macht weniger als ein Tausendstel der Luft aus, die wir atmen.

Der Grund dafür ist, dass die chemische Verwitterung über Milliarden von Jahren einen großen Teil des CO2 als Karbonate gespeichert hat. Laut Jim Kasting von der Pennsylvania State University in University Park, der zu den Forschern gehörte, die die Theorie vom warmen, feuchten, frühen Mars aufstellten – und einer der ersten war, der auf einige ihrer Schwächen hinwies -, würde man das gesamte CO2, das jetzt in den Karbonatsedimenten der Erde eingeschlossen ist, freisetzen, käme man auf etwa 60 Atmosphären des Stoffes.

Wenn die chemische Verwitterung die Gewächshäuser so leicht zerstören kann, warum ist die Erde dann nicht wie der Mars eingefroren? Die Antwort, so die Forscher, liegt im Recycling. Auf der Erde wird ein Teil des CO2 aus Karbonaten durch die Plattentektonik recycelt. Wenn karbonatreiche Sedimente an einer Subduktionszone, wo eine Platte unter eine andere gleitet, ihre Reise in den Erdmantel antreten, werden sie aufgeheizt und geben CO2 zurück in die Atmosphäre ab, wo es den Planeten erwärmen kann.

Auf dem kalten kleinen Mars scheint das Recycling jedoch nicht so gut funktioniert zu haben. Anders als die Erde hat der Mars nicht genug innere Hitze, um immer wieder Klumpen seiner Kruste umherzuschieben oder sich mit großen Rülpsern wieder aufzurichten, wie es die Venus vielleicht getan hat. Es gibt kaum Beweise dafür, dass das innere Feuer des Mars jemals ein plattentektonisches System angetrieben hat, und obwohl der Planet durchaus andere Möglichkeiten gehabt haben mag, seine innere Wärme für die Wiederverwertung von Karbonaten zu nutzen, wäre ihnen ziemlich früh die Kraft ausgegangen, als das Innere des Planeten abkühlte. Das CO2-Recycling hätte begonnen, hinter der Produktion neuer Karbonate zurückzubleiben, und die Atmosphäre hätte begonnen, ernsthaft zu schrumpfen.

So weit, so gut. Jetzt mussten die Forscher nur noch einige Karbonate auf der Planetenoberfläche finden, um ihre Geschichte zu bestätigen. Die beste Technologie, um dies vom Weltraum aus zu tun, ist die Infrarotspektroskopie, die Merkmale im Infrarotspektrum aufspürt, die für bestimmte Mineralien typisch sind. In diesem Jahr hat das Spektrometer des Mars Global Surveyor, das Thermal Emission Spectrometer (TES), seine erste gründliche Untersuchung des Planeten abgeschlossen und dabei fast drei Viertel der Oberfläche abgedeckt. Nach Angaben des für das Instrument verantwortlichen Wissenschaftlers Phil Christensen von der Arizona State University in Tempe hat es festgestellt, dass Karbonate weniger als 15 Prozent der Oberfläche ausmachen. Wahrscheinlich sogar viel weniger. „Wir versuchen, mit den 10 oder 15 Prozent vorsichtig zu sein – es gibt im Grunde keine erkennbare Karbonatsignatur“, sagt Christensen. „Ich vermute, dass die wichtigste Entdeckung, die TES machen wird, und die interessanteste Arbeit, die wir schreiben werden, die ist, dass es auf dem Mars keine Karbonate gibt, zumindest nicht an der Oberfläche.“

Wenn Christensens Vermutungen richtig sind, stehen die Marsforscher vor einer interessanten Wahl. Sie müssen entweder einen anderen Weg finden, um die Atmosphäre loszuwerden, oder mit weniger Atmosphäre auskommen – oder vielleicht ein bisschen von beidem.

Nehmt zuerst die anderen Verstecke. Wahrscheinlich ist CO2 im Boden des Planeten eingefroren oder in Trockeneisablagerungen unter den Wassereisflächen der Polkappen versteckt (obwohl andere Beobachtungen des Mars Global Surveyor Zweifel an dieser zweiten Möglichkeit aufkommen lassen). Solche Reservoirs könnten zehnmal so viel CO2 enthalten, wie derzeit in der Atmosphäre vorhanden ist. Da die derzeitige Atmosphäre jedoch weniger als ein Hundertstel eines Bar beträgt, reicht dies nicht aus, um den Unterschied zwischen Vergangenheit und Gegenwart zu erklären.

Dann könnte es unter der Oberfläche verborgene Karbonate geben. Die 13 auf der Erde gefundenen Marsmeteoriten enthalten alle schwache Spuren von Karbonat, und der älteste von ihnen, ALH 84001, ist von Karbonatadern durchzogen. Es ist denkbar, dass man im Untergrund des Mars eine beträchtliche Menge an CO2 verlieren könnte. Aber auch hier scheint es unwahrscheinlich, dass man ein paar Barren Atmosphäre loswerden könnte, ohne erkennbare Karbonatsedimente an der Oberfläche zu hinterlassen.

Also hat die Atmosphäre den Planeten vielleicht ganz verlassen. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie dies geschehen sein könnte: sehr große Einschläge und sehr kleine Einschläge. Asteroiden und Kometen, die auf die Oberfläche eines Planeten treffen, können Teile der Atmosphäre mit so hoher Geschwindigkeit abwerfen, dass sie der Schwerkraft des Planeten endgültig entkommen. In den Anfängen des Sonnensystems, als sich die Planeten gerade erst zusammensetzten, gab es noch jede Menge Trümmer. Während dieser Periode, die als spätes schweres Bombardement bekannt ist, wurde der Mars von Dutzenden großer und Hunderten kleinerer Brocken getroffen, die alle das Vergehen von Teilen der Atmosphäre markieren könnten.

Nachdem Asteroideneinschläge die frühe Marsatmosphäre von unten nach oben erodiert haben, könnte ein subtilerer Prozess sie von oben nach unten angeknabbert haben. Die obere Atmosphäre des Planeten wird ständig vom Sonnenwind umweht. An sich ist dieser Wind recht harmlos, da er dünn ist und aus sehr leichten Teilchen besteht, aber er trägt auch ein Magnetfeld. Dieses kann Ionen aus der oberen Atmosphäre aufnehmen, sie beschleunigen und sie dann wieder auf ihre Artgenossen zurückschleudern. „Ionen können mit mehr als 400 Kilometern pro Sekunde in die obere Atmosphäre geschleudert werden“, sagt Bruce Jakosky von der University of Colorado in Boulder. „Das ist wie beim Billardspielen. Beim Stoß wird alles zum Teufel gejagt. Man kann Dinge komplett aus der Atmosphäre herausschlagen.“ Es wird angenommen, dass dieser Prozess, der als Sputtern bezeichnet wird, auch heute noch die Marsatmosphäre aushöhlt, obwohl niemand weiß, wie schnell.

Wie passen diese verschiedenen Prozesse zusammen? Der größte Faktor waren wahrscheinlich Einschläge. Laut Kevin Zahnle vom Ames Research Center der NASA in Kalifornien deuten die Beweise darauf hin, dass sie einen großen Teil der ursprünglichen Atmosphäre abgetragen haben – sogar mehr als 99 Prozent. Diese Zahl, so Zahnle, ergibt sich aus den Verhältnissen der verschiedenen Xenon-Isotope in der Atmosphäre.

Die Mischung der Xenon-Isotope in der Marsatmosphäre enthält heute einen weitaus höheren Anteil an Xenon-129 als in der Erdatmosphäre oder in der Sonne. Xenon-129 wird durch den Zerfall von Jod-129 erzeugt. Damit Xenon-129 so vorherrschend ist, muss die ursprüngliche Atmosphäre, in der die Mischung der Xenon-Isotope vermutlich ähnlich war wie im übrigen Sonnensystem, mehr oder weniger vom Planeten entfernt worden sein, bevor der größte Teil des radioaktiven Jods im Inneren des Planeten zerfallen war. Da es kaum anderes Xenon gab, hätte das neu freigesetzte Gas schnell die Isotopenverteilung dominiert, so wie es heute der Fall ist.

Aber obwohl Zahnles Berechnungen darauf hindeuten, dass die Impakterosion eine Geißel biblischen Ausmaßes war, gelang es ihr nicht, die gesamte Atmosphäre wegzuschwemmen. Es ist schwer zu sagen, wie dick diese Restatmosphäre war, aber sie könnte ein gutes Stück dicker gewesen sein als heute.

Zahnle glaubt, dass ein Teil der Atmosphäre den Einschlag in der Kruste eingeschlossen überstanden haben könnte und erst wieder auftauchte, als es sicher war. In einem Papier, das auf der Fünften Internationalen Marskonferenz in Pasadena, Kalifornien, in diesem Sommer vorgestellt wurde – der ersten wirklich großen Tagung, die von den berauschenden neuen Erkenntnissen des Mars Global Surveyor überschwemmt wurde – beschrieben Kattathu Mathew und Kurt Marti von der University of California, San Diego, eine neue Analyse der im Meteoriten ALH 84001 eingeschlossenen Gase.

Diese alten Marsgase stammen offenbar aus der Zeit, als sich das Gestein erstmals bildete. Sie weisen ein Xenon-Verhältnis auf, das dem heutigen sehr ähnlich ist, und stammen daher vermutlich aus der Zeit nach der ersten großen Häutung. Aber die Stickstoffisotope des Meteoriten unterscheiden ihn von der heutigen Marsatmosphäre. Die heutige Atmosphäre ist stark mit dem schweren Stickstoffisotop angereichert. Die von Mathew entnommenen Proben von ALH 84001 weisen jedoch keine solche Anreicherung auf.

Das Sputtern ist besonders gut geeignet, um leichten Stickstoff zu entfernen. In den oberen Bereichen der Atmosphäre gibt es kaum Turbulenzen, so dass eine feine Isotopenschichtung stattfindet, bei der die leichteren Isotope eines jeden Gases nach oben steigen. Da das Sputtern von oben nach unten wirkt, ist es wahrscheinlicher, dass die leichteren Isotope herausgeschlagen werden als die schwereren. Die Probe in ALH 84001 scheint also aus einer Zeit zu stammen, in der das Sputtern noch nicht begonnen hatte – aus einer Zeit, in der die obere Marsatmosphäre vor den Angriffen des Sonnenwindes geschützt war. Und hier kommt eine weitere faszinierende Entdeckung des Mars Global Surveyor ins Spiel.

Während die Raumsonde die obere Marsatmosphäre nutzte, um ihre Umlaufbahn zu ändern, flog sie recht tief über das südliche Hochland des Planeten – tief genug, damit ihr Magnetometer unerwartete Signale aus der Kruste auffangen konnte. Seitdem ist klar geworden, dass der Mars zwar heute kein globales Magnetfeld hat, aber in seiner Jugend ein sehr starkes Magnetfeld besaß, dessen Spuren sich in seiner Kruste eingeprägt haben. Auch hier war der Mars zu klein, um solche Anstrengungen lange aufrechtzuerhalten. Die innere Energie, die seinen Magnetdynamo antrieb, muss ziemlich schnell aufgebraucht worden sein, denn nur in der ältesten Kruste ist die Signatur des Magnetfelds zu sehen.

Solange das Magnetfeld vorhanden war, hätte es den Planeten vor den Angriffen des Sonnenwinds geschützt. Die Atmosphäre nach der Bombardierung könnte also relativ dick gewesen sein – oder zumindest dicker als heute – solange das Magnetfeld anhielt.

Aber gab es genug, um das Wasser zu erklären? It’s hard to say. Niemand weiß, wie schnell das Sputtern heute abläuft oder wie stark der Sonnenwind in der Frühzeit des Sonnensystems war. Während die meisten Schätzungen den Sputtering-Verlust auf ein Zehntel eines Bar oder so während der Lebenszeit des Planeten beziffern, glaubt Jakosky – der einige dieser Vorhersagen gemacht hat -, dass es möglicherweise zehnmal mehr gewesen sein könnte.

Das würde immer noch nicht den Druck von 5 bis 10 Bar ausmachen, von dem die Forscher ursprünglich dachten, dass sie ihn brauchten, um eine anhaltende, relativ feuchte Periode in der Frühzeit zu erklären. Aber möglicherweise haben sie die Anforderungen des Planeten überschätzt. Die Modelle, die viele Bar CO2 benötigten, um das Vorhandensein von flüssigem Wasser zu erklären, berücksichtigten nicht die Bildung von Wolken. Es stellt sich heraus, dass Wolken aus festem CO2 den Mars im Prinzip auch bei einem Atmosphärendruck von nur einem halben Bar ganz gut erwärmt haben könnten.

Im November 1997 berechneten Francois Forget von der Universität Pierre und Marie Curie in Paris und Raymond Pierrehumbert von der Universität Chicago, dass große Trockeneiskristalle in einer solchen Atmosphäre die Wärmestrahlung sehr gut zum Boden zurückstreuen könnten, während sie das einfallende sichtbare und ultraviolette Licht durchlassen (Science, Bd. 273, S. 1273). Eine dünne, aber wolkenreiche Atmosphäre könnte den Mars in den frühesten Phasen seiner Geschichte erwärmt haben und dann weggesprüht worden sein, als der abkühlende Kern das Magnetfeld abschaltete. Als die Atmosphäre dünner wurde, konnte der Boden den größten Teil der relativ geringen CO2-Menge absorbieren, und die Karbonatproduktion könnte minimal gewesen sein.

Das Problem ist, dass nur weil kühlende Wolken in einem Modell gefunden werden können, dies nicht bedeutet, dass sie jemals im wirklichen Leben vorhanden waren. Und Kasting weist darauf hin, dass einige Wolkenarten die Oberfläche erwärmt haben könnten, während andere sie abkühlten – genauso wie verschiedene Wolken die Temperatur auf der Erde unterschiedlich beeinflussen.

Dann besteht die Möglichkeit, dass es nie wirklich so warm war. Wasser kann es schaffen, an ziemlich kalten Orten flüssig zu sein, zumindest vorübergehend, und einige glauben, dass viele der Wasserzeichen auf der Marsoberfläche in ein paar kurzen, nassen Katastrophen entstanden sein könnten. Wie Zahnle es ausdrückt: „Ich habe Beweise für flüssige Silikatlaven auf der Erdoberfläche gesehen: Muss ich daraus schließen, dass die globale Temperatur 1500 K betrug? Ich kann nur feststellen, dass die Flüssigkeit da war, und dass sie heiß war. Die Flusstäler könnten durch die Wirkung von Grundwasser entstanden sein, das durch lokalen Vulkanismus oder Einschläge erhitzt wurde. Oder sie bildeten sich unter vorübergehenden Eisschichten, die später sublimierten.

Vielleicht kam die Wärme in sehr kurzen Schüben. Das würde erklären, warum es trotz der vorhandenen Täler in vielen der alten Krater kaum Anzeichen für eine anhaltende Erosion gibt und einige von ihnen eine fast mondähnliche Schärfe behalten.

Victor Baker von der Universität von Tucson in Arizona glaubt, dass der Mars manchmal sehr nass war, weil Gase aus dem Inneren des Planeten warmes Wasser aus den Tiefen der Kruste an die Oberfläche drückten. Diese Überschwemmungen hätten aber nur etwa zehntausend Jahre gedauert. Selbst ein Dutzend solcher feuchter Perioden würde nur einen winzigen Bruchteil der Marsgeschichte ausmachen und das südliche Hochland von der Erosion unberührt lassen.

Es sollte eigentlich nicht überraschen, dass man mit ein paar Raumfahrtmissionen keinen Sinn aus einem ganzen Planeten machen kann. Aber die Komplexität und die scheinbaren Widersprüche der Marsvergangenheit führen uns diese Lektion vor Augen. Die Geschichte des Mars ist möglicherweise komplexer, als es das „Warm-und-nass-dann, kalt-und-trocken-jetzt“-Modell erlaubt. Die ersten Milliarden Jahre auf dem Mars könnten alle möglichen verwirrenden Rätsel aufgeworfen haben, und um sie zu lösen, werden die Forscher Theorien aufstellen, die wie Jakoskys Ideen vom geschmolzenen Herzen des Planeten bis zum Rand des Weltraums reichen. Die dünne Marsatmosphäre mag eine schlechte planetarische Decke sein, aber als Sprungbrett für Spekulationen ist sie unübertroffen.n

Oliver Morton ist Wissenschaftsautor in London

New Scientist Ausgabe: 20. November 99