18. Mai 2020
Kleckern für die Forschung

Schlamm fließt auf dem Mars wie Lava auf der Erde

Mehr zu:
Raumfahrt
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.

Kontakt
  • Falk Dambowsky
    Presseredaktion
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

    Media|Relations
    Telefon: +49 2203 601-3959
    Linder Höhe
    51147 Köln
    Kontaktieren
  • Ernst Hauber
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Planetenforschung
    Planetologie
    Telefon: +49 30 67055-325
    Fax: +49 30 67055-402
    Rutherfordstraße 2
    12489 Berlin
    Kontaktieren
  • Mgr. Petr Brož
    Czech Academy of Sciences
    Institute of Geophysics
    Telefon: +420 267 103-063
    Boční II 1401
    141 31 Prag
    Kontaktieren
  • Ulrich Köhler
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Planetenforschung
    Telefon: +49 30 67055-215
    Fax: +49 30 67055-303
    Rutherfordstraße 2
    12489 Berlin
    Kontaktieren
Neueste Nachrichten

Cookies erleichtern die Bereitstellung unserer Dienste. Mit der Nutzung unserer Dienste erklären Sie sich damit einverstanden, dass wir Cookies verwenden. Weitere Informationen zum Datenschutz erhalten Sie über den folgenden Link: Datenschutz

Hauptmenü