Was können uns Sonnenstürme über die Marsatmosphäre verraten?

Als die Sonne im Mai 2024 den Höhepunkt ihres 11-jährigen Aktivitätszyklus erreichte, lieferte ein heftiger Sonnensturm auf dem Mars den Wissenschaftlern den bislang detailliertesten Einblick darin, wie unser Nachbarplanet auf extremes Weltraumwetter reagiert; was haben sie herausgefunden und wie geht es weiter?

Knockout-Bestrahlung

Als der heftige Strom aus Strahlung und Sonnenmaterial auf den Roten Planeten traf, befanden sich die ESA-Orbiter „Mars Express“ und „ExoMars Trace Gas Orbiter“ (TGO) in idealer Position, um die Reaktion des Planeten zu beobachten.

„Die Auswirkungen waren bemerkenswert: Die obere Atmosphäre des Mars wurde von Elektronen überschwemmt. Es war die stärkste Reaktion auf einen Sonnensturm, die wir je auf dem Mars beobachtet haben“, erklärte der Hauptautor Jacob Parrott, der diese Forschung als Doktorand am Imperial College durchgeführt hatte.

In zwei Schichten der Atmosphäre kam es zu einem außergewöhnlichen Anstieg der Elektronendichte, wodurch die unterste ionosphärische Schicht mit 278 % ihrer typischen Größe die bisher größte jemals gemessene Ausdehnung erreichte. Der Strahlungsmonitor von TGO maß zudem eine Dosis, die einer Strahlenbelastung von 200 normalen Tagen in nur 64 Stunden entsprach. Die Strahlung war so intensiv, dass sie vorübergehende Computerfehler auf beiden Orbiter verursachte, doch beide Raumfahrzeuge erholten sich dank ihrer strahlungsgehärteten Konstruktion schnell wieder.

Rekonstruktion der Marsatmosphäre

Forscher rekonstruierten die Struktur der Marsatmosphäre unmittelbar nach dem Sturm dank eines Signals, das von Mars Express an TGO gesendet wurde, als dieser hinter den Horizont des Planeten tauchte, genau in dem Moment, als die Sonneneruption eintraf. Dieses Signal wurde beim Durchqueren der Schichten der oberen Atmosphäre aufgrund der geladenen Umgebung abgelenkt.

Die Messung basierte auf gegenseitiger Radiookkultation, einer von der ESA entwickelten Technik, die in diesem Fall jedoch vom Imperial College London ermöglicht wurde. Frühere Arbeiten von Parrott und seinem Betreuer optimierten die während der Messungen verwendete Abtaststrategie.

„Bei Imperial wurden die Anforderungen an die Abtastfrequenz so optimiert, dass jede Messung nicht so viel Speicherplatz auf der Festplatte des Raumfahrzeugs beanspruchte. Dadurch konnten wir die Anzahl der Messungen pro Woche erhöhen“, sagte Parrott. „Dank dieser höheren Messfrequenz gelang es uns, diese ‚unglaublich glückliche‘ Messung nur 10 Minuten nach dem Auftreffen einer gewaltigen Sonneneruption auf dem Mars zu erfassen.“

Besseres Verständnis

Das Verständnis der Sonnenaktivität ist von entscheidender Bedeutung, da intensive Ereignisse eine Gefahr für Astronauten, Satelliten und Kommunikationssysteme darstellen; allerdings kann diese Aktivität unvorhersehbar sein, was direkte Messungen erschwert.

Das macht diese Studie so bemerkenswert: Dem Team gelang es, die Folgen von drei Sonnenereignissen – einer Sonneneruption, einem Ausbruch hochenergetischer Teilchen und einer koronalen Massenauswurf – innerhalb desselben Sturms zu erfassen. Durch die Analyse der Wechselwirkungen mit der Marsatmosphäre entdeckten sie deutliche Unterschiede in der Art und Weise, wie Energie und Teilchen abgelagert wurden.

Die Studie zeigte, dass Erde und Mars ganz unterschiedlich auf Sonnenaktivität reagieren. Auf der Erde werden einströmende Teilchen durch das Magnetfeld abgelenkt und zu den Polen geleitet; der Mars hingegen ist dem Sonnenwind direkt ausgesetzt, sodass sich die obere Atmosphäre bei einem Sturm mit geladenen Teilchen füllt.

Colin Wilson, ESA-Projektwissenschaftler für Mars Express und TGO, sagte, die Ergebnisse verbesserten unser Verständnis des Mars, aber „es gibt noch eine andere Seite: Die Struktur und der Inhalt der Atmosphäre eines Planeten beeinflussen, wie sich Funksignale durch den Weltraum ausbreiten. Wenn die obere Atmosphäre des Mars voller Elektronen ist, könnte dies die Signale blockieren, mit denen wir die Oberfläche des Planeten per Radar erkunden, was dies zu einem entscheidenden Faktor bei unserer Missionsplanung macht – und unsere Fähigkeit beeinträchtigt, andere Welten zu erforschen.“

Das Team wird denselben Ansatz nutzen, um die Nachtseite des Mars zu untersuchen, wo die untere Ionosphäre traditionell schwieriger zu beobachten ist. Es wird außerdem prüfen, ob die Reflektometrie, bei der Funkwellen von der Planetenoberfläche zurückgeworfen werden, dabei helfen kann, die Oberflächenrauheit zu untersuchen oder nach Eis unter der Oberfläche zu suchen. Obwohl sich dies noch im Versuchsstadium befindet, könnte dies zusätzliche Möglichkeiten bieten, bestehende Instrumente für neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu nutzen.

Quellenhinweis:

Martian ionospheric response during the May 2024 solar superstorm, Nature Communications, March 2026. Parrott, J., et al.