Staubfontänen auf dem Mars und Recycling kleiner Körper während der Planetenentstehung



Der Mars ist einer der faszinierendsten Körper unseres Sonnensystems, aber im Gegensatz zur Erde ist seine Oberfläche fast komplett mit einer Staubschicht bedeckt. Eingebracht in die dünne Atmosphäre bilden sich zeitweise globale, monatelang anhaltende Staubstürme aus, welche den gesamten Planeten umspannen können. Lokal gelangt Staub zusätzlich auch sichtbar in Form von Staubteufeln in die Atmosphäre.

Wie der Staub allerdings in die Atmosphäre gelangt, ist noch nicht geklärt, da Wind bei dem geringen Atmosphärendruck auf dem Planeten von nur wenige Millibar in der Regel zu geringen dynamischen Druck ausübt, um Staubpartikel vom Boden zu lösen. Dies ist eines der großen Rätsel der Marsforschung. Da Staub auf dem Mars so allgegenwärtig ist, ist es auch für die zukünftige Marsexploration - bemannt oder unbemannt - sehr wichtig, die Prozesse, die Staub beeinflussen, zu kennen. Ebenso ist es von entscheidender Bedeutung Mechanismen zu entwickeln, mit denen man Staub vielleicht gezielt beeinflussen kann, um Schäden an Instrumenten oder vielleicht einmal bemannten Stationen (etwa an Dichtungen und Schleusen) zu verhindern oder zu minimieren.

Ähnliche Bedingungen - staubige Körper in dünnem Gas bei vergleichbaren Windgeschwindigkeiten - findet man auch während der Planetenentstehung auf kleinen Körpern in Gas- und Staubscheiben um junge Sterne. Sollten hier die gleichen Prozesse wie auf dem Mars ablaufen und Staub von diesen Körpern lösen können, so sollten kleine Körper, die noch keine nennenswerte Eigengravitation haben, auf diese Weise wieder zerstört werden. Dies ist im Rahmen unserer Vorstellungen von der Planetenentstehung, die Wachstum benötigt, von großer Bedeutung.

Genau bei diesen beiden Anwendungen setzt die Forschung der Wissenschaftler an. Das Forscherteam hat erst in den vergangenen Jahren einen neuen Mechanismus entdeckt, um Staub bei geringem Atmosphärendruck von einer Oberfläche zu lösen. Einzige Voraussetzung neben einem dünnen Gas ist, dass die Oberfläche beleuchtet wird. Dies ist auf dem Mars (ohne Wolken) tagsüber ständig der Fall und kann bei kleinen Körpern in inneren Bereichen protoplanetarer Scheiben ebenfalls auftreten. Der geringe Atmosphärendruck ist dabei wichtig, da die dort wirkenden Kräfte bei höherem Druck schwächer werden.

Deshalb findet man diese Effekte nicht auf der Erde, auf dem Mars sind sie aber besonders stark. Die Staubablösungen beruhen auf so genannten photophoretischen Effekten und "thermischem Kriechen". Beides sind Effekte, die nicht mit der üblichen Gleichgewichtsthermodynamik idealer Gase zu beschreiben sind. Grundsätzlich ist es so, dass bei Beleuchtung ein Teil des Lichts erst in tieferen Schichten der staubigen Oberfläche absorbiert wird und diese dort heizt. Aber nur die alleroberste Schicht des Staubes kann durch Abstrahlung in die Umgebung abkühlen.

Dadurch entsteht eine Art Treibhauseffekt, der dafür sorgt, dass der Staub unter der Oberfläche wärmer ist als an der Oberfläche. Eine solche Temperaturdifferenz führt dazu, dass Gas von oben nach unten in das Staubbett "kriecht", daher der Begriff thermisches Kriechen. Zum einen kann dieser Gasfluss unter der Oberfläche zu einem Überdruck führen oder direkt (impulserhaltend) eine Kraft auf die Partikel ausüben. Beides führt am Ende zur Eruption von Staubpartikeln, wenn die Haftkräfte und die Gravitation überwunden werden können.

Die Rate, mit der Material abgetragen werden kann, hängt stark von der Schwerkraft ab. Da die Anwendung auf Körpern mit reduzierter Schwerkraft (1/3g, Mars) oder ohne Eigengravitation (0 g) liegt, ist dies nicht nur zum generellen Verständnis der Effekte von Bedeutung, sondern direkt anwendbar. In der aktuellen Parabelflugkampagne soll die Schwerkraftabhängigkeit der Erosion einer Staubprobe abhängig von der Größe der Einzelpartikel in der Probe untersucht werden. Mit der Größe der Partikel ändern sich sowohl die Haftkräfte, die optischen Eigenschaften als auch die thermischen Eigenschaften der Probe.

Desweiteren ist die Absorption des Lichts durch das ausgeworfene Material für die Einstellung neuer Temperaturdifferenzen auf der Staubprobe wichtig. Dies kann man unter normaler Erdschwerkraft so nicht untersuchen, da das Material sofort wieder zurückfällt. Konkret soll also im Experiment erforscht werden, wie bei verschiedenen Schwerkraftbedingungen (0-2 g) die Rate der schwebenden Partikel von der Partikelgröße abhängt. So soll ein grundlegenderes Verständnis von Staubprozessierung auf dem Mars und während der Planetenentstehung erlangt werden.


Kontakt
Prof. Gerhard Wurm
Universität Duisburg-Essen
, Fakultät für Physik
E-Mail: gerhard.wurm@uni-due.de
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