Warum die Marsatmosphäre wie Zahnpasta gequetscht wird

Jahrzehntelang galt es als ausgemacht, dass der Mars viel zu schwach ist, um ein bestimmtes, von der Erde seit 1976 bekanntes Phänomen hervorzubringen. Der Rote Planet besitzt kein globales Magnetfeld, sein geschmolzener Kern ist längst erstarrt. Was also sollte geladenen Teilchen den nötigen Halt geben, um sie wie kosmische Zahnpasta aus einer Tube zu pressen? Genau dieser Effekt, der sogenannte Zwan-Wolf-Effekt, ist nun jedoch in der Marsatmosphäre nachgewiesen worden. Der Fund zeigt eindrücklich, wie eine einzige Raumsonde und ein glücklicher Zufall eine vermeintlich gesicherte Lehrmeinung über Bord werfen können.

Die Entdeckung geht auf Daten des NASA-Orbiters MAVEN zurück, der seit 2014 den Mars umkreist und die Wechselwirkung des Planeten mit dem Sonnenwind untersucht. Im Dezember 2023 traf ein besonders heftiger koronaler Massenauswurf (CME) der Sonne auf den Mars und löste einen wahren Sturm geladener Teilchen aus. Diese energiereiche Strahlung durchdrang die Reste der dünnen Gashülle mit solcher Wucht, dass sie Strukturen sichtbar machte, die normalerweise verborgen bleiben. Christopher Fowler, ein Planetenforscher an der West Virginia University und Hauptautor der Studie, stieß bei seiner Analyse auf seltsame Schwankungen in den Daten. “Als ich die Daten untersuchte, bemerkte ich plötzlich einige sehr interessante Wackler”, erklärte er in einer Mitteilung der NASA. “Ich hätte nie gedacht, dass es genau dieser Effekt sein würde.”

Was der Zwan-Wolf-Effekt mit einer Zahnpastatube zu tun hat

Der nach seinen Entdeckern benannte Zwan-Wolf-Effekt beschreibt einen Prozess, bei dem geladene Teilchen entlang magnetischer Strukturen, den sogenannten Flussröhren, beschleunigt und kanalisiert werden. Auf der Erde geschieht dies tausende Kilometer über der Oberfläche, eingebettet in den schützenden Kokon der Magnetosphäre. Die Analogie zur Zahnpastatube ist dabei mehr als eine nette Veranschaulichung: Die magnetischen Feldlinien wirken wie die Wände der Tube, und die einströmende Energie - in diesem Fall der Sonnenwind - erzeugt den Druck, der das Plasma mit hoher Geschwindigkeit aus einer engen Öffnung presst.

Bislang gingen Wissenschaftler davon aus, dass dieser Mechanismus zwingend ein planetares Magnetfeld voraussetzt. Da der Mars diesen Schutzschild nicht besitzt und seine Atmosphäre seit Milliarden von Jahren durch den Sonnenwind erodiert wird, hielt man das Phänomen dort schlicht für unmöglich. Die neue Studie, erschienen im Fachjournal Nature Communications, widerlegt diese Annahme nun. Gefunden wurde der Effekt nicht in einer Magnetosphäre, sondern direkt in der Ionosphäre des Planeten, in etwa 200 Kilometern Höhe. “Niemand hat erwartet, dass dieser Effekt überhaupt in einer Atmosphäre auftreten kann”, so Fowler. “Das macht die Entdeckung noch spannender.”

Eine lokalisierte Anomalie mit globalen Folgen

Wie kann ein Prozess, der eigentlich ein großes, planetenumschließendes Magnetfeld benötigt, in einer fragmentierten Atmosphäre ablaufen? Die Antwort der Forscher liegt in den lokalen Magnetfeldern, die in der Marskruste konserviert sind. An der Grenzschicht, wo der Sonnenwind mit dem ionosphärischen Plasma kollidiert, entstehen demnach die nötigen magnetischen Spannungen. Diese lokalen Felder sind stark genug, um eine globale Magnetosphäre zu ersetzen und die Teilchen kurzfristig in Flussröhren zu zwängen.

Dieses Ergebnis ist grundlegend, denn es legt nahe, dass der Zwan-Wolf-Effekt keine seltene Ausnahmeerscheinung bei Sonnenstürmen ist. Der CME von 2023 machte das Phänomen lediglich so ausgeprägt, dass MAVENs Instrumente es eindeutig identifizieren konnten. Die Forscher vermuten, dass dieser Quetschmechanismus ständig und in kleinerem Maßstab auf der sonnenzugewandten Seite des Mars abläuft. Er formt kontinuierlich die Struktur der oberen Atmosphäre und beeinflusst, wie viele Teilchen vom Planeten in den Weltraum entweichen.

Gefahren für Astronauten und Kommunikationssysteme

Die Entdeckung hat höchst praktische Implikationen. Kenntnisse über die Dynamik der Marsatmosphäre sind nicht nur von akademischem Interesse, sondern eine entscheidende Sicherheitsfrage für künftige bemannte Missionen zum Roten Planeten. Die Ionosphäre ist die Schnittstelle, die Raumfahrzeuge beim An- und Abflug durchqueren müssen. Dichteschwankungen, wie sie der neu entdeckte Zwan-Wolf-Mechanismus verursacht, können die Flugbahnen von Orbitern empfindlich stören und den Funkverkehr zwischen der Oberfläche und der Erde beeinträchtigen.

Zudem wirkt sich die Art und Weise, wie der Sonnensturm das Plasma umverteilt, direkt auf die Menge schädlicher Strahlung aus, die die Oberfläche erreicht. Ein durch magnetische Flussröhren gebündelter Teilchenstrom kann für zukünftige Astronauten auf der Oberfläche kurzzeitig ein erheblich erhöhtes Risiko darstellen. Shannon Curry, leitende Wissenschaftlerin der MAVEN-Mission am Laboratory for Atmospheric Space Physics der University of Colorado Boulder, unterstreicht die Bedeutung dieser Wissenslücke: “Es ist essenziell zu wissen, wie Weltraumwetter mit dem Mars interagiert”, und fügte hinzu, es sei lebenswichtig, “diese Verbindungen zwischen unserem Heimatstern und dem Roten Planeten zu verstehen.”

Die folgenden Punkte fassen die wichtigsten Auswirkungen des Effekts auf zukünftige Missionen zusammen:

• Gefährdung der Elektronik: Unvermutete Energieschübe können ungeschützte Solarpanels und Schaltkreise auf Landemodulen und Rovern beschädigen.
• Kommunikationsstörungen: Veränderungen in der Ionosphäre können hochfrequente Funkwellen zwischen dem Mars und der Erde blockieren oder verzerren.
• Strahlungsrisiko für Astronauten: Der als Zahnpasta-Effekt beschriebene Mechanismus kann Teilchenströme in bestimmten Regionen bündeln und so die lokale Strahlenbelastung auf der Oberfläche erhöhen.
• Atmosphärenverlust: Der Prozess beschleunigt vermutlich das Entweichen atmosphärischer Gase in den Weltraum und schreibt die Geschichte des Wasserverlusts auf dem Mars bis heute fort.

Ein neues Kapitel in der Erkundung des Sonnensystems

Die Tragweite dieser Entdeckung könnte weit über den Mars hinausreichen. Nachdem klar geworden ist, dass der Zwan-Wolf-Effekt nicht nur in globalen Magnetosphären vorkommt, sondern sich auch in einer Ionosphäre mit lokalen Magnetfeldern abspielen kann, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass er an weiteren Orten im Sonnensystem auftritt. Die Forscher um Christopher Fowler spekulieren in ihrer Studie bereits über analoge Phänomene auf der brodelnden Venus und auf Titan, dem größten Mond des Saturn.

Beide Himmelskörper sind von einer dichten Atmosphäre umhüllt und interagieren komplex mit dem Sonnenwind, eine globale Magnetosphäre nach irdischem Vorbild besitzen sie jedoch nicht. Sollte sich der Verdacht bestätigen, wäre der von MAVEN aufgespürte Zahnpasta-Effekt kein kurioser Einzelfall, sondern ein universelles physikalisches Grundprinzip. Die Jagd nach seinen Spuren auf diesen fernen Welten wird zweifellos die nächste Generation von Raumfahrtmissionen prägen und unser Bild von den unsichtbaren Kräften schärfen, die planetare Atmosphären formen und zerstören.

Quellen:

• How Alaska Native communities navigate a potential $170 billion gold mine (Phys.org)
• It’s so hot across Europe, you can see the heat wave from space | Space photo of the day for May 29, 2026 (Space.com)
• Europa may not vent water into space after all (Science News)
• New solar desalination breakthrough makes fresh water without toxic brine (ScienceDaily - All)
• Evidence of cosmic-ray acceleration from a nearby supernova remnant (Phys.org)
• ‚I would never have guessed it‘: Unexpected effect is squeezing Mars‘ atmosphere like toothpaste, experts say (Live Science)

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Kinetyra