Staubausbrüche auf der Marsoberfläche und Erosion kleiner Körper im frühen Sonnensystem



Der Mars steht im Fokus vieler wissenschaftlicher Untersuchungen. Durch zahlreiche Raumfahrtmissionen ist er - neben der Erde - der am besten untersuchte Planet unseres Sonnensystems. Bei allen Missionen spielt Staub auf der Marsoberfläche eine große Rolle. Vor allem mit Hilfe der Sonde MARS EXPRESS wurde die Entwicklung globaler Staubstürme detailliert untersucht. Außerdem wurde nachgewiesen, dass Staubteufel und kleinere Staubstürme sehr häufige Phänomene auf der Marsoberfläche sind.

Allerdings können die Mechanismen, die zu dieser großen Zahl an Staubaktivitäten führen, wissenschaftlich noch nicht erklärt werden. Durch den geringen Atmosphärendruck (etwa ein Tausendstel unseres Luftdrucks) sind trotz der geringeren Gravitation (0,38 g) sehr große Windgeschwindigkeiten (höher als 30 Meter pro Sekunde) nötig um über Gasreibung Partikel vom Boden abzulösen. Zusätzliche Kräfte müssen also wirken, um Staub effektiv in die Marsatmosphäre zu bringen.

Genau hier beginnt die Arbeit der Arbeitsgruppe "Experimentelle Astrophysik" der Universität Duisburg-Essen. In früheren Studien wurde gezeigt, dass bei niedrigem Umgebungsdruck direkte Lichteinstrahlung reicht, um Eruptionen in einem Staubbett zu erzeugen. Dieser Prozess beruht auf zwei Effekten. Der erste Effekt ist eine Art Treibhauseffekt. Licht dringt durch Poren in der Stauboberfläche bis in tiefere Schichten ein. Die Oberfläche kann dabei durch thermische Strahlung kühlen. In tieferen Schichten unterhalb der Oberfläche kann diese Kühlung nicht stattfinden. Daher ist die heißeste Schicht nicht an der Oberfläche, sondern in einer Tiefe von wenigen Millimetern. Dieser Temperaturunterschied ist die Grundlage für den zweiten Effekt.

Hat ein Partikel in einem dünnen Gas eine warme und eine kalte Seite, so findet eine Wechselwirkung zwischen dem Partikel und den Gasmolekülen statt. Gasmoleküle, welche die Oberfläche erreichen, übernehmen die Temperatur der Oberfläche. Dies führt dazu, dass Gasmoleküle die warme Seite schneller verlassen als die kalte Seite. Auf diese Weise wird eine Kraft übertragen, die von der kalten zu warmen Seite ausgerichtet ist. Diese Kraft kann einzelne Staubpartikel aus einem Staubbett herausreißen.

Ein weiterer Prozess kann ebenfalls stattfinden. Befindet sich ein Staubbett in einer dünnen Gasumgebung, dann kriecht Gas durch die Poren in der Staubprobe von der kühleren Oberfläche zu den wärmeren Schichten unterhalb der Oberfläche. Durch diesen Gasfluss entsteht ein Überdruck innerhalb der Staubprobe, der zu Stauberuptionen führen kann. Dabei werden größere Mengen Staub gleichzeitig aus dem Staubbett ausgeworfen.

Auf der Marsoberfläche herrschen ideale Bedingungen für diese durch Licht verursachte (lichtinduzierte) Stauberosion. Der Atmosphärendruck ist genau im kritischen Bereich und es stehen große Mengen Staub zur Verfügung. Um die Entwicklung des Planeten erklären zu können ist es von großer Bedeutung, den Staubzyklus zu verstehen. Staubaktivitäten sind auch für eventuelle Raumfahrtmissionen - bemannt und unbemannt - zum Mars wichtig, da die Zuverlässigkeit der eingesetzten Technik und die Möglichkeiten für wissenschaftliche Untersuchungen auf der Marsoberfläche durch Staub beeinflusst werden.

Daher ist es wichtig, die lichtinduzierte Stauberosion unter Marsähnlichen Bedingungen zu untersuchen. Die Marsoberfläche ist allerdings nicht die einzige Umgebung, in der Stauberosion durch Lichteinstrahlung stattfinden kann. Eine weitere Umgebung sind protoplanetare Körper im jungen Sonnensystem oder in anderen Planetenentstehungsgebieten. Protoplanetare Scheiben bestehen überwiegend aus einem dünnen Gas. Protoplanetare Körper können durch Lichteinstrahlung effektiv Masse verlieren. Da protoplanetare Körper typischerweise eine deutlich geringere Gravitationskraft aufweisen, ist es nötig, die lichtinduzierte Erosion unter verschiedenen Gravitationsbedingungen zu untersuchen.


Kontakt
Dr. Jens Teiser
Universität Dusiburg-Essen

Fakultät für Physik

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