8. Oktober 2025 | Atmosphärenforschung für den Roten Planeten
Wie schnell Winde über den Mars fegen
Dunkle Streifen auf der Marsoberfläche
Zahllose Staubteufel sind an dieser Stelle über die Marsoberfläche gezogen und haben den rötlichen Staub auf ihrem Weg entfernt . Ein einzelner aktiver Staubteufel mit seinem Schatten ist in der Mitte dieses CaSSIS-Bildes zu sehen.
Bild: 1/3, Credit:
ESA/TGO/CaSSIS
Position und Richtung der Marswinde
Für diese neue Studie trainierten die Forscherinnen und Forscher ein künstliches neuronales Netzwerk zur Erkennung von Staubteufeln. Das Ergebnis: ein Katalog mit allen 1039 Staubteufel-Bildern, die von Mars Express seit 2004 und ExoMars Trace Gas Orbiter seit 2016 aufgenommen wurden.
Bild: 2/3, Credit:
ESA
Perspektivischer Blick auf Staubteufelspuren in Chalcoporos Rupes
Dieses Muster aus fadenartigen, schmalen, dunklen Streifen wurde von kleinen Windhosen, sogenannten „dust devils“ (zu Deutsch: Staubteufel) erzeugt, die durch atmosphärische Verwirbelungen entstehen. Wenn ein Staubteufel über die Marsoberfläche wandert, wirbelt er dabei eine dünne Schicht hellen Staubes vom Boden auf und das darunterliegende, dunkle Material kommt zum Vorschein. Die Spuren markieren den zurückgelegten Weg der Staubteufel. Spuren von Staubteufeln auf dem Mars können bis zu einige hundert Meter breit und mehrere Kilometer lang werden. Ihre Lebensdauer ist relativ kurz, da sie insbesondere nach Staubstürmen im Zeitraum von einigen Tagen bis Monaten wieder von hellem Staub bedeckt werden und dadurch verschwinden. Der gezeigte Bildausschnitt hat etwa eine Breite von 50 Kilometern.
Neue Studie mit DLR-Beteiligung: Mars-Winde wehen mit bis zu 160 Kilometer pro Stunde.
Die Erkenntnisse helfen dabei, die Atmosphärendynamik des Erdnachbarn besser zu verstehen und Landeplätze für mögliche zukünftige Missionen zu identifizieren.
Als Grundlage dienten Aufnahmen der Kameras an Bord der beiden ESA-Marsorbiter, die mit Hilfe von Machine Learning ausgewertet wurden.
Auf dem Mars erreichen „Staubteufel“ und Winde Geschwindigkeiten von bis zu 160 Kilometer pro Stunde und wehen damit stärker als bisher angenommen: Dies zeigt eine neue Studie eines internationalen Forscherteams unter der Leitung der Universität Bern, an der auch Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des DLR-Instituts für Weltraumforschung maßgeblich beteiligt waren. Die Forschenden verwendeten Bilder der Schweizer Marskamera CaSSIS (Color and Stereo Surface Imaging System) und der HRSC-Stereokamera des DLR, die sie mit Hilfe von „maschinellem Lernen“ analysierten.
„Die Studie liefert eine wertvolle Datengrundlage für ein besseres Verständnis der atmosphärischen Dynamik auf unserem Nachbarplaneten“ freut sich Dr. Daniela Tirsch. Sie leitet das Experiment HRSC (High Resolution Stero Camera) auf der ESA-Mission Mars Express und hat an der Studie mitgearbeitet. „Damit können wir bessere Klimamodelle erstellen, die auch für zukünftige robotische und sogar vielleicht auch für astronautische Marsmissionen hilfreich sind“. Trotz der sehr dünnen Atmosphäre gibt es auf dem Mars auch Winde, die für das Klima und Verteilung von Staub von zentraler Bedeutung sind.
Windbewegungen und Aufwirbelung von Staub erzeugen häufig sogenannte Staubteufel (im Englischen „dust devils“), rotierende Säulen aus aufgewirbeltem Staub und Luft, die sich in Richtung der vorherrschenden Windrichtung über die Oberfläche bewegen. Auf Bildern ist Wind selbst unsichtbar, aber Staubteufel sind deutlich zu erkennen. Aufgrund ihrer Vorwärtsbewegung sind sie daher wertvolle Indikatoren für die Forschung, um ansonsten unsichtbare Winde zu bestimmen. Staubteufel gibt es auch auf der Erde, aber auf dem Mars sind sie viel größer und können mehrere Kilometer Höhe erreichen.
Ein Staubteufel „in flagranti“ von der HRSC-Kamera des DLR erwischt
Mit leicht zeitversetzten Bildkanälen können Bewegung und Richtung von Staubteufeln direkt beobachtet werden.
Die Studie unter der Leitung von Dr. Valentin Bickel vom Center for Space and Habitability der Universität Bern zeigt, dass Staubteufel und Winde, die sie umgeben, deutlich höhere Geschwindigkeiten erreichen als bisher angenommen. Stärkere Winde könnten für einen großen Teil der Staubaufwirbelung verantwortlich sein, welche großen Einfluss auf das Wetter und das Klima des Mars hat.
An der heute in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichten Studie beteiligten sich neben Forschenden des Physikalischen Instituts der Universität Bern auch Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Open University in Großbritannien und des DLR-Instituts für Weltraumforschung in Berlin-Adlershof.
„Die Kombination von Daten der beiden Kameras auf den beiden europäischen Satelliten eröffnet eine Menge neuer Forschungsmöglichkeiten: HRSC und CaSSIS ergänzen sich ideal und liefern zusammen ein deutlich umfassenderes Bild des Mars, als es ein einzelnes Instrument könnte – ein großartiges Beispiel für die Stärke internationaler Zusammenarbeit im All“, erklärt DLR-Planetengeologe Ernst Hauber, der an beiden Kamera-Experimenten wissenschaftlich beteiligt ist. „Die Auflösung beider Kameras ist gut genug, um selbst Staubteufel mit nur wenigen Zehnermetern Durchmesser in Bildern festzuhalten“.
Details zur neuen Staubteufel-Studie in „Science Advances“
Valentin T. Bickel, Miguel Almeida, Matthew Read, Antonia Schriever, Daniela Tirsch, Ernst Hauber, Klaus Gwinner, Nicolas Thomas, Thomas Roatsch (2025). Dust Devil Migration Patterns Reveal Strong Near-Surface Winds across Mars, Science Advances. Digital Object Identifier (DOI): 10.1126/sciadv.adw5170.
Untersuchung mit „Deep Learning“
„Mit Hilfe eines hochmodernen Deep-Learning-Ansatzes konnten wir Staubteufel in über 50.000 Satellitenbildern identifizieren“, erklärt Erstautor Valentin Bickel. CaSSIS befindet sich an Bord des ExoMars Trace Gas Orbiters der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), während sich die HRSC (High Resolution Stereo Camera) an Bord des ESA-Orbiters Mars Express befindet. In einem nächsten Schritt untersuchte das Forschendenteam Stereobilder von rund 300 der identifizierten Staubteufel, um deren Bewegungsrichtungen und Geschwindigkeiten abzuleiten.
Die Ergebnisse zeigen, dass Staubteufel und die umgebende Winde auf dem Mars Geschwindigkeiten von bis zu 44 Meter pro Sekunde, also rund 160 Kilometer pro Stunde auf dem gesamten Planeten erreichen können. Frühere Messungen auf der Oberfläche hatten gezeigt, dass Winde meist unter 50 Kilometer pro Stunde bleiben und in seltenen Fällen maximal 100 Kilometer pro Stunde erreichen können. „Die Identifikation und Vermessung all der Staubteufel in den HRSC-Daten zum Training des Algorithmus war eine ziemlich aufwendige Arbeit“, blickt DLR-Kartografin Antonia Schriever auf die Untersuchung zurück. „Aber dann als Ergebnis zu sehen, wie groß und schnell Windhosen tatsächlich sind, machte jede Mühe mehr als wett!“ Daniela Tirsch fasst den DLR-Beitrag zur Studie zusammen: „Dank der einzigartigen Fähigkeit der HRSC, die Marsoberfläche leicht zeitversetzt mit verschiedenen Bildkanälen zu beobachten, ist es erst möglich geworden, Geschwindigkeit und Richtung der Staubteufel zu analysieren.“
Deren hohe Geschwindigkeit beeinflusst wiederum den Staubkreislauf auf dem Roten Planeten: „Starke, nicht wirbelartigen Winde tragen sehr wahrscheinlich eine beträchtliche Menge Staub in die Marsatmosphäre ein – viel mehr als bisher angenommen“, erläutert Valentin Bickel. Ferner: „Unsere Daten zeigen, wo und wann diese Winde stark genug sind, um Staub von der Oberfläche zu heben. Dies ist das erste Mal, dass solche Erkenntnisse für einen Zeitraum von etwa zwei Jahrzehnten vorliegen.“ Die HRSC ist seit Januar 2004 im Einsatz, auch CaSSIS liefert schon seit mehr als acht Jahren Bilddaten vom Mars.
Die hochauflösende Stereokamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie gebaut (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH). Das Wissenschaftsteam unter der Leitung von Dr. Daniela Tirsch, Principal Investigator (PI), besteht aus 50 Co-Investigatoren aus 35 Institutionen und elf Ländern. Die Kamera wird vom DLR-Institut für Weltraumforschung (ehemals DLR-Institut für Planetenforschung) in Berlin-Adlershof betrieben.
