18. Mai 2020
Kleckern für die Forschung

Schlamm fließt auf dem Mars wie La­va auf der Er­de

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Ein Schlammvulkan auf dem Mars?
Ein Schlamm­vul­kan auf dem Mars?
Bild 1/4, Credit: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

Ein Schlammvulkan auf dem Mars?

Schlamm­vul­ka­nis­mus wird auf vie­len Or­ten auf dem Mars ver­mu­tet, ist aber auf­grund vor­han­de­ner Da­ten nicht zwei­fels­frei zu iden­ti­fi­zie­ren. Die­ses Bild zeigt ei­nen Kra­ter­ke­gel, der aus fei­nen Schich­ten auf­ge­baut ist. Die Bruch­mus­ter um den Kra­ter her­um könn­ten auf aus­ge­trock­ne­ten Schlamm hin­wei­sen. Den­noch ist nicht aus­zu­schlie­ßen, dass die­ser Ka­ter das Er­geb­nis von "nor­ma­lem" Vul­ka­nis­mus ist.
Aktive Schlammvulkane auf der Erde
Ak­ti­ve Schlamm­vul­ka­ne auf der Er­de
Bild 2/4, Credit: CAS/Peter Brosž CC BY-SA 4.0

Aktive Schlammvulkane auf der Erde

Schlamm­vul­ka­ne sind zwar nicht so be­kannt wie ‚klas­si­sche‘ Vul­ka­ne, die La­va, al­so ge­schmol­ze­nes Ge­stein, aus dem Er­din­ne­ren an die Ober­flä­che be­för­dern, aber sie sind welt­weit durch­aus ver­brei­tet. Geo­lo­gen ha­ben et­wa 1800 Schlamm­vul­ka­ne auf der Er­de ge­zählt, da­von ei­ni­ge auch am Grund von Mee­ren. Fast die Hälf­te der Schlamm­vul­ka­ne be­fin­det sich in Aser­bai­dschan na­he der aser­bai­dscha­ni­schen Schwarz­meer­küs­te. Dort las­sen sich der Erup­ti­ons­vor­gang und die Fließ­dy­na­mik der aus­tre­ten­den Schlamm­strö­me vor Ort stu­die­ren. Der klei­ne Schlamm­vul­kan auf dem Bild misst nur we­ni­ge Me­ter Hö­he, an­de­re ha­ben meh­re­re Ki­lo­me­ter Durch­mes­ser.
Schlammvulkane auf dem Mars?
Schlamm­vul­ka­ne auf dem Mars?
Bild 3/4, Credit: ESA/DLR/FU Berlin CC BY-SA 3.0 IGO

Schlammvulkane auf dem Mars?

Seit Jah­ren wird dis­ku­tiert, ob es auf dem Mars nicht nur von Mag­ma ge­spei­ste Vul­ka­ne gibt, son­dern auch Schlamm­vul­ka­ne. Auf der Er­de gibt es et­wa 1800 die­ser Vul­ka­ne. In Chry­se Pla­ni­tia, ei­ner Re­gi­on, in die zahl­rei­che brei­te, heu­te tro­cken­ge­fal­le­ne Tä­ler mün­den, wur­den Dut­zen­de ver­gleichs­wei­se klei­ner Hü­gel mit Zen­tral­kra­ter ent­deckt, die in die­ser Tiefebe­ne ver­teilt sind (links der Bild­mit­te auf die­sem kon­trast­ver­stärk­tem Mars Ex­press HR­SC-Falsch­far­ben­bild). Auch die fla­chen, fast wie Pfann­ku­chen oder Kuh­fla­den aus­se­hen­den hel­len Be­rei­che rechts im Bild könn­ten von Schlamm­strö­men ge­bil­det wor­den sein. La­bor­ex­pe­ri­men­te, an de­nen auch DLR-Mars­geo­lo­ge Ernst Hau­ber be­tei­ligt war, stüt­zen die The­se, dass auch auf dem kal­ten Mars mit sei­ner dün­nen At­mo­sphä­re Schlamm­vul­ka­nis­mus mög­lich ist, das Fließ­ver­hal­ten aber we­gen des ge­rin­ge­ren Gas­drucks und der tie­fen Tem­pe­ra­tu­ren ganz an­ders als auf der Er­de ist.
Mars-Bedingungen in der Unterdruckkammer
Mars-Be­din­gun­gen in der Un­ter­druck­kam­mer
Bild 4/4, Credit: CAS/Peter Brosž CC BY-SA 4.0

Mars-Bedingungen in der Unterdruckkammer

Auf dem Mars herrscht nur et­wa ein Hun­dert­fünf­zigs­tel des At­mo­sphä­ren­drucks wie auf der Er­de, und die Tem­pe­ra­tu­ren sind die meis­te Zeit und an den meis­ten Or­ten sehr viel nied­ri­ger: Sie fal­len in den sub­po­la­ren Tiefebe­nen nachts nicht sel­ten auf mi­nus 100 Grad Cel­si­us. Wie fließt was­ser­ge­sät­tig­ter Schlamm un­ter die­sen Druck- und Tem­pe­ra­tur­be­din­gun­gen über die Mar­so­ber­flä­che? Ei­ne Grup­pe eu­ro­päi­scher Wis­sen­schaft­ler hat die­se Wis­sens­lücke zu schlie­ßen ver­sucht und in ei­ner Un­ter­druck­kam­mer (im Bild der an der Stu­die be­tei­lig­te Wis­sen­schaft­ler On­drej Kry­za von der Tsche­chi­schen Aka­de­mie der Wis­sen­schaf­ten) an der Open Uni­ver­si­ty in Mil­ton Key­nes (Groß­bri­tan­ni­en) was­ser­rei­chen Schlamm auf ei­ne kal­te Sand­flä­che ge­gos­sen und das Fließ­ver­hal­ten be­ob­ach­tet. Ins­be­son­de­re der nied­ri­ge Gas­druck in der Mar­sat­mo­sphä­re ver­än­dert das Fließ­ver­hal­ten dras­tisch ge­gen­über dem auf der Er­de - es er­in­nert an dünn­flüs­si­ge, ba­sal­ti­sche La­va.
  • Laborversuche zeigen, dass Schlamm bei sehr tiefen Temperaturen und unter sehr geringem Atmosphärendruck sich ähnlich wie fließende Lava auf der Erde verhält.
  • Ergebnisse legen nahe, dass zehntausende konischer Hügel auf dem Mars, die oft auf ihrem Gipfel einen kleinen Krater aufweisen, Ergebnis des Schlammvulkanismus sein könnten.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration

Wissenschaftler hegen seit langem die Vermutung, dass es auf dem Mars nicht nur ‚feuerspeiende‘ Vulkane gab, die große Mengen an glutflüssiger Lava über den Planeten verteilten. So sind zahlreiche konische Bergkegel auf der Nordhalbkugel des Roten Planeten möglicherweise das Ergebnis von Schlammvulkanismus. Allerdings fehlten den Forschern bisher Erkenntnisse, wie sich wasserreicher Schlamm an der Marsoberfläche verhält. Ein außergewöhnlicher Laborversuch unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) konnte nun zeigen, wie Schlamm bei sehr tiefen Temperaturen und unter sehr geringem Atmosphärendruck fließt: Er verhält sich ähnlich fließender Lava auf der Erde. Die jetzt in der Fachzeitschrift NATURE Geoscience veröffentlichten Ergebnisse ergänzen das bestehende Bild des Mars und seiner von Vulkanismus geprägten Geschichte um eine wichtige Facette.

"Wir wissen seit langem, dass in der frühen Marsgeschichte vor mehreren Milliarden Jahren große Wassermengen in kurzer Zeit freigesetzt wurden und dabei Täler riesigen Ausmaßes in die Landschaft erodierten, die heute längst trockengefallen sind", erklärt Ernst Hauber vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof, der an der Studie beteiligt ist. "Von diesen Ausflusstälern wurden umfangreich abgetragene zerkleinerte Gesteinsmassen in die nördlichen Tiefebenen des Planeten transportiert und dort schnell abgelagert. Später wurden diese Gesteinsmassen dann von jüngeren Sedimenten und vulkanischen Gesteinen überdeckt." Einige Marsforscher vermuteten schon bisher, dass diese wasserreichen Sedimente im Untergrund unter bestimmten Umständen verflüssigt worden sein könnten und unter Druck wieder an die Oberfläche gepresst wurden. In Anlehnung an den Aufstieg von Magma wird dieser Prozess, der auf der Erde in vielen Sedimentbecken gut dokumentiert ist, sedimentärer Vulkanismus oder kurz Schlammvulkanismus genannt.

Kleine Vulkankegel als Ergebnis von Schlammeruptionen?

In den nördlichen Tiefebenen des Mars befinden sich zehntausende konischer Hügel, die oft auf ihrem Gipfel einen kleinen Krater aufweisen und Ergebnis des Schlammvulkanismus sein könnten. Der Beweis dafür ist allerdings nicht leicht zu erbringen, was auch daran liegt, dass über das Verhalten von dünnflüssigem Schlamm unter den Umweltbedingungen an der Marsoberfläche wenig bekannt ist. Um diese Wissenslücke zu schließen führte eine Gruppe europäischer Wissenschaftler eine Reihe von Experimenten in einer zylinderförmigen Unterdruckkammer von 90 Zentimeter Durchmesser und 1,8 Meter Länge durch, bei denen wasserreicher Schlamm über eine kalte Sandfläche gegossen wurde. Ein Experimentaufbau, der - von der nicht simulierbaren Marsschwerkraft abgesehen – etwas an eine riesige "Klecker-Burg" unter marsähnlichen Bedingungen erinnert.

How does wa­te­ry-mud mo­ve on Mars? Li­ke pa­hoe­hoe la­va!
Ex­plo­ra­ti­on of Mars has re­vea­led the pre­sence of lar­ge out­flow chan­nels which ha­ve be­en in­ter­pre­ted as the pro­ducts of ca­ta­stro­phic flood events du­ring which a lar­ge quan­ti­ty of wa­ter was re­lea­sed from the sub­sur­face. The ra­pid bu­ri­al of wa­ter-rich se­di­ments fol­lo­wi­ng such floo­ding may ha­ve pro­mo­ted an ide­al set­ting to trig­ger se­di­men­ta­ry vol­ca­nism, in which mix­tu­res of rock frag­ments and wa­ter erupt to the sur­face in the form of mud.
Credit: Geofyzikální ústav AV ČR v. v. i.

Das Ziel der ungewöhnlichen Versuche war herauszufinden, wie die unterschiedlichen physikalischen Parameter die Wasserbestandteile im Schlamm beeinflussen und dadurch das Fließverhalten verändern. Das Resultat war überraschend: "Der Schlamm fließt unter dem geringen Atmosphärendruck auf dem Mars so ähnlich wie dünnflüssige sogenannte Pahoehoe- oder Stricklavaströme, die etwa von den großen Vulkanen auf Hawaii oder Island bekannt sind", erklärt der Erstautor der Studie Dr. Petr Brož von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften. Dieses Ergebnis war für die Forscher unerwartet, weil vergleichbare geologische Prozesse auf anderen Körpern im Sonnensystem oft so ähnlich ablaufen wie auf der Erde. "Unsere Experimente zeigen, dass selbst ein vermeintlich so einfacher Prozess wie das Fließen von Schlamm, den viele von uns seit ihrer Kindheit aus eigener Anschauung kennen, auf dem Mars ganz anders ablaufen würde."

Gelangen wasserreiche Sedimente auch auf dem Mars an die Oberfläche?
Gelangen wasserreiche Sedimente auch auf dem Mars an die Oberfläche?
Wasser, das auf dem Mars vor Milliarden Jahren über die Oberfläche strömte, transportierte große Mengen an Sedimenten in die nördlichen Tiefebenen, wo sie später von jüngeren Sedimenten und vulkanischen Gesteinen überdeckt wurden. Einige Marsforscher vermuteten, dass diese wasserreichen Sedimente im Untergrund verflüssigt und unter Druck wieder an die Oberfläche gepresst wurden – ähnlich wie an dieser heißen „Schlammquelle“ am Bakhar in Aserbaidschan (Bilddurchmesser etwa 1,5 m). Versuche in einer Unterdruckkammer, an denen auch DLR-Wissenschaftler Ernst Hauber beteiligt war, haben nun gezeigt, dass das Fließverhalten dem von viele Hundert  Grad Celsius heißer, so genannter Stricklava (oder nach dem hawaiianischen Ausdruck für glatt, ungebrochen auch als «Pahoehoe»-Lava bezeichnet) ähnelt, also ganz anders verläuft als auf der Erde. Diese Beobachtung könnte die Vermutung stützen, dass etliche der im Norden des Mars entdeckten konischen Hügel mit Zentralkrater ebenfalls Schlammvulkane sind.
Credit: CAS/Peter Brosž CC BY-SA 4.0

Kleiner Atmosphärendruck mit großer Wirkung

Der entscheidende Grund für das Fließverhalten des Schlamms ist die sehr dünne Marsatmosphäre, deren Druck 150mal geringer ist als der Atmosphärendruck auf der Erde in Meereshöhe. Dieser Unterschied hat eine große Wirkung: Unter diesen Bedingungen ist Wasser in flüssiger Form an der Marsoberfläche nicht stabil und fängt an zu kochen und zu verdunsten. Dieser Prozess absorbiert latente Wärme im Wasserdampf und kühlt den restlichen Schlamm, der daraufhin oberflächlich gefriert und eine Kruste bildet. Latente Wärme wird bei einem Phasenübergang, etwa beim Gefrieren oder beim Auftauen von einem Gegenstand abgegeben oder aufgenommen ohne dass sich dabei seine Temperatur ändert. "Natürlich wussten wir schon vorher, dass flüssiges Wasser unter niedrigem Druck schneller anfängt zu kochen – deswegen dauert es beispielsweise auch länger, Nudeln auf hohen Bergen auf der Erde weich zu kochen", erklärt Ernst Hauber. "Doch welche Auswirkungen dieser bekannte Effekt auf Schlamm hat, wurde noch nie vorher experimentell untersucht. Es hat sich wieder einmal gezeigt, dass man die unterschiedlichen physikalischen Bedingungen immer berücksichtigen muss, wenn man scheinbar einfache Oberflächenformen auf anderen Planeten untersucht. Wir wissen jetzt, dass wir bei der Analyse von manchen Fließerscheinungen nicht nur an Lava, sondern auch an Schlamm denken müssen", so Hauber weiter.

Im Detail konnte das Forscherteam zeigen, dass sich die experimentellen Schlammströme wie Pahoehoe-Laven verhalten, weil jeweils kleine Mengen flüssigen Schlamms aus kleinen Rissen in der Eiskruste an der Oberfläche austreten und weitere Fließzungen bilden, bevor sie selbst wieder zufrieren. Falls Schlamm tatsächlich auf dem Mars an der Oberfläche austritt, kann er also tatsächlich eine Zeit lang fließen, ehe er bei den niedrigen Temperaturen erstarrt. Allerdings wird sich die Morphologie, also die Form der Schlammströme, von denen auf der Erde unterscheiden. Die jetzt durchgeführten Forschungsarbeiten sind auch für andere planetare Körper wichtig, denn ähnliche Prozesse könnten bei sogenannten kryovulkanischen Eruptionen, bei denen statt Magma oder Schlamm flüssiges Wasser an die Oberfläche gelangt, ebenfalls eine Rolle spielen, so etwa auf Eismonden im äußeren Sonnensystem.

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