Ein starker Sonnensturm hat im Mai 2024 nicht nur die Erde getroffen. Auch der Mars bekam die volle Wucht des Ereignisses zu spüren. Messungen zweier Raumsonden der Europäischen Weltraumorganisation ESA zeigen nun, wie stark die Atmosphäre des roten Planeten auf solche Ausbrüche reagieren kann.
Während die Erde dank ihres Magnetfeldes relativ gut geschützt ist, trifft der Sonnenwind den Mars weit direkter. Die Folge: In der oberen Atmosphäre des Planeten kam es zu einem starken Anstieg elektrisch geladener Teilchen.
Eine neue Studie, die am 5. März in Nature Communications veröffentlicht wurde, analysiert erstmals detailliert, wie ein solches Weltraumwetter-Ereignis den Mars beeinflusst.
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Orbiter registrieren extreme Strahlungsdosis
Der Sonnensturm im Mai 2024 war das stärkste Ereignis dieser Art seit mehr als zwei Jahrzehnten. Auf der Erde sorgte er für ungewöhnlich intensive Polarlichter, die sogar bis nach Mexiko sichtbar waren.
Zur gleichen Zeit befanden sich zwei ESA-Raumsonden in günstiger Position: Mars Express sowie der ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). Beide Orbiter konnten den Sturm aus nächster Nähe beobachten.
Ein Strahlungsdetektor an Bord des TGO registrierte innerhalb von nur 64 Stunden eine außergewöhnliche Belastung. Die gemessene Strahlungsdosis entsprach etwa dem, was normalerweise in rund 200 Tagen im Marsorbit auftritt.
„Die Auswirkungen waren bemerkenswert: Die obere Atmosphäre des Mars wurde von Elektronen überflutet“, sagt Jacob Parrott, Forschungsstipendiat der ESA und Hauptautor der Studie. „Es war die größte Reaktion auf einen Sonnensturm, die wir je auf dem Mars beobachtet haben.“
Elektronenanstieg in zwei Atmosphärenschichten
Die Forschenden analysierten vor allem zwei Höhenbereiche der Marsatmosphäre: etwa 110 km und 130 km über der Oberfläche.
Dort zeigte sich ein deutlicher Effekt:
| Höhe | Veränderung der Elektronendichte |
| ca. 110 km | +45 % |
| ca. 130 km | +278 % |
Der stärkere Anstieg in der höheren Schicht überrascht nicht. Dort ist die Atmosphäre dünner und reagiert direkter auf energiereiche Teilchen aus dem All.
Solche Elektronen entstehen, wenn energiereiche Teilchen aus dem Sonnensturm mit neutralen Atomen in der Atmosphäre kollidieren. Dabei schlagen sie Elektronen aus den Atomhüllen heraus. Die Atmosphäre wird stärker ionisiert – ein Zustand, der für Satelliten und Funkverbindungen problematisch sein kann.
Raumsonden melden Computerfehler
Der Sonnensturm blieb auch für die Raumfahrzeuge selbst nicht folgenlos. Beide ESA-Orbiter registrierten kurzzeitig Computerstörungen. „Der Sturm verursachte auch Computerfehler bei beiden Orbitalfahrzeugen – eine typische Gefahr des Weltraumwetters, da die beteiligten Partikel so energiereich und schwer vorhersagbar sind“, erklärt Parrott.
Solche Fehler entstehen, wenn hochenergetische Teilchen elektronische Bauteile treffen und dort einzelne Bits verändern. Raumsonden werden deshalb mit strahlungsresistenter Elektronik und speziellen Fehlerkorrektursystemen ausgestattet. Die Systeme der beiden Orbiter reagierten wie vorgesehen. Nach kurzer Zeit liefen die Instrumente wieder stabil.
Radiookkultation liefert neue Einblicke
Um die Reaktion der Marsatmosphäre genauer zu untersuchen, setzten die Forschenden eine Messmethode ein, die derzeit bei der ESA weiterentwickelt wird: Radiookkultation. Dabei sendet ein Raumfahrzeug ein Radiosignal, während ein anderes gerade hinter dem Planetenhorizont verschwindet. Das Signal durchläuft dabei mehrere Schichten der Atmosphäre und wird unterschiedlich stark gebrochen.
Aus diesen Veränderungen lässt sich ableiten, wie dicht und elektrisch geladen die einzelnen Atmosphärenschichten sind.
„Diese Technik wird eigentlich schon seit Jahrzehnten zur Erforschung des Sonnensystems eingesetzt, allerdings mit Signalen, die von einem Raumfahrzeug zur Erde gesendet werden“, sagt Colin Wilson, ESA-Projektwissenschaftler für Mars Express und TGO und Mitautor der Studie. „Erst seit etwa fünf Jahren wenden wir sie auf dem Mars zwischen zwei Raumfahrzeugen wie Mars Express und TGO an.“
Die Ergebnisse wurden zusätzlich mit Messungen der NASA-Mission MAVEN abgeglichen, die seit 2014 die Marsatmosphäre untersucht.
Mars reagiert anders als die Erde
Der Vergleich mit der Erde zeigt deutlich, wie unterschiedlich Planeten auf Sonnenstürme reagieren. Das Magnetfeld unseres Planeten wirkt wie ein Schutzschild. Es lenkt viele Teilchen ab und kanalisiert andere in Richtung der Pole. Dort entstehen Polarlichter.
Der Mars besitzt dagegen kein globales Magnetfeld mehr. Deshalb trifft der Sonnenwind seine Atmosphäre direkt. Langfristig hat dieser Prozess wahrscheinlich dazu beigetragen, dass der Planet einen großen Teil seiner ursprünglichen Atmosphäre verloren hat.
„Die Ergebnisse verbessern unser Verständnis des Mars, indem sie zeigen, wie Sonnenstürme Energie und Teilchen in die Marsatmosphäre abgeben“, sagt Colin Wilson.
