Atmosphäre des Mars

Die Atmosphäre des Mars besitzt eine Gesamtmasse von etwa 2,5 · 10¹⁶ kg. Sie ist sehr dünn, ihre Dichte beträgt ca. 1,2% der Dichte der Erdatmosphäre. Der mittlere atmosphärische Druck auf Nullniveau beträgt ca. 6 hPa, 6,36 hPa am mittleren Radius mit jahreszeitlichen Schwankungen von 4,0 bis 8,7 hPa. Das sind nur 0,6% des mittleren Luftdrucks auf der Erde mit 1013 hPa und entspricht etwa dem Druck, der in der Stratosphäre der Erde in 32 km Höhe herrscht.

Der niedrige atmosphärische Druck liegt in der Nähe des Tripelpunkts von Wasser. Das heißt, flüssiges Wasser kann auf der Marsoberfläche nur in Tiefebenen (das sind hauptsächlich die Nordhalbkugel und Hellas Planitia) und nur bei hohen Temperaturen kurzzeitig für wenige Stunden existieren. Am tiefsten Punkt der Marsoberfläche in Hellas Planitia erreicht der Druck maximal etwa 12 hPa. Das ist deutlich unter der Armstrong-Grenze von 63 hPa, bei der Wasser bei menschlicher Körpertemperatur siedet, deshalb kann ein Mensch auf dem Mars nicht ohne einen Druckanzug oder eine Druckkabine überleben.

In ihrer chemischen Zusammensetzung besteht die Marsatmosphäre, wie auch die der Venus, hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid, in kleineren Mengen aber auch aus anderen Gasen wie Argon, Stickstoff und Sauerstoff. Im Jahre 2003 wurden auch Spuren von Methan in der Gashülle des Planeten nachgewiesen. Man konnte bisher nicht eindeutig erklären, wie dieses Gas in die Atmosphäre gelangte.

Obwohl die Atmosphäre des Mars so dünn ist, ist der Himmel des Mars nicht schwarz. Wegen des hohen Staubanteils in der Atmosphäre wird das Licht stark gestreut. Der Taghimmel erscheint hell und Sterne sind nicht zu sehen. Die Farbe des Himmels während des Tages variiert von orangerot über rosa und violett bis blau in der Nähe der auf- und untergehenden Sonne.

Aufbau

Die Marsatmosphäre besteht hinsichtlich ihres vertikalen Temperaturverlaufs aus mehreren Schichten, wobei man sich in der Nomenklatur an die Erdatmosphäre anlehnt:

Troposphäre (0–40 km)

In dieser Schicht spielt sich der Großteil des Marswetters mit atmosphärischer Konvektion und Staubstürmen ab, wobei die Wetterdynamik primär durch die Erwärmung der Oberfläche während des Tages und den unterschiedlichen Staubgehalt in der Luft bestimmt wird. Aufgrund der geringeren Schwerkraft liegt die Skalenhöhe für die barometrische Höhenformel, also die Abhängigkeit des Luftdrucks von der Höhe, bei 11,4 km anstatt 8,4 km wie bei der Erde. Der trockenadiabatische Temperaturgradient, also das Maß, wie die Lufttemperatur mit der Höhe abnimmt, liegt theoretisch bei 4,3 K pro km. Da schwebende Staubpartikel jedoch die Sonnenstrahlung absorbieren und die Luft erwärmen – ein Effekt, der jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen ist – liegt der durchschnittliche Temperaturgradient in der Troposphäre bei etwa 2,5 K pro km. Die planetare Grenzschicht, wo der Wärmeaustausch sowie der Austausch von Wasser und anderen Substanzen zwischen Planetenoberfläche und unterirdischen Reservoiren auf der einen Seite und der Atmosphäre auf der anderen Seite stattfindet, erstreckt sich während des Tages bis in 10 km Höhe (auf der Erde 2 km – die Dunstschicht, die Bergsteiger in Tälern sehen). Aufgrund der niedrigen thermischen Trägheit der Marsatmosphäre können die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht in der Nähe der Planetenoberfläche bis zu 60 °C betragen. Bei einem hohen Staubgehalt in der Luft kann sich der Tag-Nacht-Unterschied jedoch auf nur 5 °C reduzieren. Oberhalb von 15 km hängt die Temperatur nur noch von der Sonneneinstrahlung ab; Konvektion spielt dort keine Rolle mehr.

Mesosphäre (40–100 km)

In dieser Schicht der Atmosphäre herrscht die niedrigste Temperatur; das CO₂ in der Mesosphäre strahlt Wärme in den Weltraum ab. In der Mesopause, der Grenzschicht zur darüberliegenden Thermosphäre, wurden Temperaturen von −150 °C bis −170 °C gemessen, was unterhalb des Sublimationspunkts von CO₂ in dieser Höhe (−150 °C) liegt. Daher können sich in der Mesosphäre Wolken aus Kohlendioxideis bilden. Die für von der Planetenoberfläche startende Raumflugkörper aerodynamisch relevante Atmosphäre reicht bis zur Obergrenze der Mesosphäre in 100 km Höhe.

Thermosphäre (100–230 km)

Diese Schicht wird von der Ultraviolettstrahlung der Sonne stark aufgeheizt. Die Temperatur in der Thermosphäre nimmt mit der Höhe zu und ist jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Wenn der Mars den sonnenfernsten Punkt seiner Bahn erreicht hat, liegen die Tagestemperaturen in der oberen Thermosphäre bei −100 °C, am sonnennächsten Punkt bei etwa −30 °C. Dort kann die Temperatur auch bis zu +120 °C erreichen, was aber immer noch weit unterhalb der 1700 °C in der irdischen Thermosphäre liegt. In der Thermosphäre beginnen sich die Atmosphärengase zu entmischen und entweichen ständig ins Weltall. Der Übergang zwischen Homosphäre und Heterosphäre, also dem Bereich, wo die Atmosphärengase gut durchmischt sind, und dem Bereich, wo sie sich zunehmend entmischen, wird Turbopause genannt. Deren Höhe schwankt, abhängig vom CO₂-Gehalt der Luft in der unteren Thermosphäre, zwischen 60 km und 140 km.

Exosphäre (ab 230 km)

Hier geht die Atmosphäre des Planeten fließend in den Weltraum über.

Eine der irdischen Stratosphäre vergleichbare Luftschicht zwischen Troposphäre und Mesosphäre, wo die Temperatur, umgekehrt zum Gradienten in der Troposphäre, mit steigender Höhe wieder zunimmt, gibt es auf dem Mars wegen der sehr dünnen Ozonschicht nicht. Nur über dem Südpol des Planeten bildet sich während des dortigen Winters eine lokal begrenzte Ozonschicht mit inversem Temperaturgradienten.