Mars und die Planetenentstehung: Materialrecycling durch lichtinduzierte Eruptionen



Die Oberfläche von Planeten im Sonnensystem, die nicht wie die Erde über eine Biosphäre und Ozeane verfügen, ist in der Regel mit Staub bedeckt. Dies gilt für unseren Mond genauso wie für Asteroiden, Merkur oder den Mars. In der Frühphase unseres Planetensystems bestanden die kleineren Körper sogar komplett aus Staub. Die Physik des Staubes ist daher von elementarer Bedeutung für die Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems.

Erst in neuerer Zeit fanden die Wissenschaftler den Effekt, dass Staubpartikel eruptionsartig aus einer Oberfläche gelöst werden können, wenn diese Oberfläche beleuchtet wird und sich in einer Gasatmosphäre befindet. Der ideale Gasdruck für intensive Eruptionen liegt dabei im Millibar-Bereich. Zu höheren und noch niedrigeren Drücken hin nimmt die Stärke des Effekts dagegen ab. Deshalb sind solche Eruptionen nicht auf der Erde bei einem Bar Luftdruck zu beobachten. In der Mars-Atmosphäre von nur wenigen Millibar Druck ist der Effekt jedoch von maximaler Stärke.

In früheren Studien wurde gezeigt, dass dieser durch Licht ausgelöste Erosionsprozess auf zwei Einzeleffekten beruht. Zunächst gibt es einen Treibhauseffekt in der Stauboberfläche. Licht dringt durch Poren bis in tiefere Schichten ein. Die Oberfläche kann durch thermische Strahlung kühlen. In tieferen Schichten unterhalb der Oberfläche kann diese Kühlung nicht stattfinden. Daher ist die heißeste Schicht nicht die Oberfläche selbst, sondern eine Lage bis zu wenigen Millimetern unterhalb der Oberfläche.

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. Diese führt zu einer rückstoßenden Kraft, die in Richtung der kühleren Seite weist und als Photophorese bezeichnet wird. Die bekannten "Lichtmühlen", die in Richtung der kühleren helleren Flügelseiten voran drehen,  veranschaulichen diese Kraft sehr gut.

Im Experiment wird untersucht, wie stark die Erosionsrate einer beleuchteten Staubprobe von der Schwerkraft abhängt. Da diese überwunden werden muss, ist sie eine sehr bedeutende Größe in der Funktionsweise des Partikelauswurfes. Solche Untersuchungen sind notwendig, da sowohl Mars als auch kleine Körper in protoplanetaren Scheiben im Vergleich zur Erde über weniger Eigengravitation verfügen.

Versuche zur lichtinduzierten Stauberosion wurden bereits während der 17. DLR Parabelflugkampagne durchgeführt. Mit dem aktuellen Experiment wollen die Wissenschaftler weitere Daten in höherer Qualität sammeln, die insbesondere den Bereich bei niedrigeren Gravitationsbeschleunigungen abdecken. Dies ist notwendig, um die Modellvorstellung des in den Einzelheiten doch sehr komplexen Prozesses besser verstehen zu können.

Ein konkretes Anwendungsbeispiel ist einerseits der Mars. Hier bieten sich grundlegende Antworten auf das Problem, wie man die Entstehung von Staubteufeln und globalen Staubstürmen erklären kann. Technische Anwendungen zur aktiven "Staubbearbeitung" oder Staubvermeidung auf zukünftigen Marsmissionen sind denkbar. Ein zweites Beispiel ist das Materierecycling in protoplanetare Scheiben.

Aufgrund des oben genannten Effekts der lichtinduzierten Stauberosion kann ein protoplanetarer Körper in Meter- bis Kilometer-Größe durch Lichteinstrahlung effektiv Masse verlieren. Wird ein solcher zum jungen Stern driftender Körper erodiert, können die abgelösten Staubpartikel wieder in den äußeren Teil der protoplanetaren Scheibe transportiert werden. Anstatt Teil der Sternmasse zu werden, stehen sie somit für den weiteren Prozess der Planetenentstehung wieder zur Verfügung.


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