Mars (Planet)

Grunddaten und Einordnung

Der Mars ist der vierte Planet von der Sonne und der äußere Nachbar der Erde. Er gehört zu den erdähnlichen oder terrestrischen Planeten. Mit einem Durchmesser von knapp 6800 km ist er etwa halb so groß wie die Erde; sein Volumen beträgt gut ein Siebtel des Erdvolumens. Nach Merkur ist er der zweitkleinste Planet des Sonnensystems. Seine Masse beträgt 6,417 · 10^23 kg beziehungsweise etwa 0,107 Erdmassen, seine mittlere Dichte 3,933 g/cm³. Die Fallbeschleunigung liegt bei etwa 3,7 m/s² und damit bei rund 38 % des irdischen Werts.

Als „Roter Planet“ erscheint Mars wegen des Eisenoxid-Staubs, also rosthaltiger Teilchen, die seine Oberfläche und Atmosphäre bedecken. Auf dem Planeten befinden sich stark verkraterte Hochländer, weite Tiefebenen, tiefe Canyons und die höchsten Vulkane des Sonnensystems. Seine Oberfläche umfasst etwa 144 Millionen km² und ist damit fast so groß wie die Gesamtfläche aller irdischen Kontinente mit 149 Millionen km².

Mars besitzt zwei kleine, unregelmäßig geformte Monde: Phobos und Deimos. Sein astronomisches Symbol ist ♂.

Umlauf, Rotation und Beobachtung

Mars umläuft die Sonne auf einer deutlich elliptischen Bahn in einem Abstand von 206,62 bis 249,23 Millionen km beziehungsweise 1,38 bis 1,67 AE. Eine Astronomische Einheit (AE) entspricht ungefähr dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne. Ein Marsjahr dauert knapp 687 Erdtage oder etwa 1,9 Erdjahre. Die Bahnexzentrizität, ein Maß für die Abweichung von einer Kreisbahn, beträgt 0,0934; nur Merkurs Planetenbahn ist stärker exzentrisch. Die Bahnebene ist um 1,85° gegen die Erdbahnebene geneigt. Die mittlere Bahngeschwindigkeit beträgt ungefähr 24,1 km/s.

Eine Drehung um die eigene Achse dauert 24 Stunden und 37,4 Minuten. Der Sonnentag auf dem Mars, Sol genannt, dauert 24 Stunden, 39 Minuten und 35 Sekunden. Die Rotationsachse ist um 25,19° geneigt, weshalb es ähnlich wie auf der Erde Jahreszeiten gibt. Sie dauern wegen des längeren Marsjahrs fast doppelt so lange. Durch die elliptische Umlaufbahn sind sie jedoch unterschiedlich lang und auf der Südhalbkugel stärker ausgeprägt. Auf der Nordhalbkugel dauern Frühling, Sommer, Herbst und Winter 199,6, 181,7, 145,6 und 160,1 Erdtage.

Die Erde überholt Mars auf ihrer inneren Bahn durchschnittlich alle 779,94 Tage. Stehen Sonne, Erde und Mars dabei annähernd auf einer Linie, befindet sich Mars in Opposition und ist als heller rötlicher Punkt besonders gut sichtbar. Wegen der Relativbewegung entsteht am Himmel eine scheinbare Schleife. Der Abstand zur Erde kann bei Opposition zwischen 55,6 und 101,3 Millionen km liegen. Am 28. August 2003 waren es 55,76 Millionen km, die geringste Entfernung seit etwa 60.000 Jahren; erst 2287 soll Mars mit 55,69 Millionen km noch näher kommen.

Atmosphäre, Klima und Wetter

Mars besitzt eine sehr dünne und staubige Atmosphäre. Sie besteht zu 95,97 % aus Kohlenstoffdioxid, zu 1,89 % aus Stickstoff, zu 1,93 % aus Argon, zu 0,146 % aus Sauerstoff und zu 0,0557 % aus Kohlenstoffmonoxid. Hinzu kommen Spuren unter anderem von Wasserdampf, Methan, Schwefeldioxid und Ozon. Der mittlere Bodendruck beträgt nur 6,36 hPa, also 0,63 % des mittleren irdischen Luftdrucks. Wahrscheinlich wurde ein großer Teil der früheren Atmosphäre durch den Sonnenwind abgetragen; geringe Schwerkraft und schwacher magnetischer Schutz begünstigten dies.

Weil die Atmosphäre wenig Wärme speichert, schwanken die Temperaturen stark. In Äquatornähe können sie tagsüber etwa 20 °C erreichen und nachts auf −85 °C fallen; die globale Mitteltemperatur liegt bei ungefähr −63 °C. Der niedrige Druck verhindert, dass Wasser an der Oberfläche dauerhaft flüssig bleibt.

Die Polkappen bestehen aus gefrorenem Kohlendioxid und Wassereis. Im Sommer sublimiert ein Teil des Eises, geht also unmittelbar vom festen in den gasförmigen Zustand über. Es bilden sich Zirruswolken aus Eiskristallen sowie bis zu 100 km ausgedehnte Kohlendioxid-Eiswolken in Höhen von bis zu 80 km. Solche Wolken können bis zu 40 % des Sonnenlichts aufnehmen und die Oberflächentemperatur um bis zu 10 K senken.

Starke Tag-Nacht-Unterschiede erzeugen tägliche Morgen- und Abendwinde. Besonders nahe dem sonnennächsten Bahnpunkt treten Staubstürme auf, die große Teile des Planeten verhüllen können. Trotz hoher Windgeschwindigkeiten besitzen sie wegen der dünnen Luft weniger Kraft als irdische Stürme. Der Staub bleibt lange in der Atmosphäre, weil Regen fehlt und die Schwerkraft gering ist. Bei schweren Staubstürmen wurden zudem Strahlungsimpulse beobachtet, die auf Blitze oder große elektrische Entladungen hindeuten.

Oberfläche, Wasser und innerer Aufbau

Die Marsoberfläche zeigt eine ausgeprägte Zweiteilung. Die stark verkraterte, fast 4 Milliarden Jahre alte Südhalbkugel ist ein Hochland und durchschnittlich etwa 6 km höher als die nördliche Hemisphäre. Der Norden besteht überwiegend aus geologisch jüngeren, fast kraterlosen Tiefebenen. Diese Dichotomie könnte durch innere Prozesse oder einen großen Einschlag entstanden sein.

Zu den wichtigsten Oberflächenformen gehören die Valles Marineris, ein über 4000 km langes, bis zu 700 km breites und bis zu 7 km tiefes tektonisches Grabensystem. In der Tharsis-Region liegen mehrere große Schildvulkane. Olympus Mons ragt 26,4 km über seine Umgebung und etwa 21,3 km über das mittlere Nullniveau auf; er ist die höchste bekannte Erhebung des Sonnensystems. Alba Patera ist mit mehr als 1200 km Basisdurchmesser dessen flächengrößter Vulkan. Vulkanische Aktivität könnte noch vor 210.000 bis 53.000 Jahren stattgefunden haben.

Trockene Stromtäler, stromlinienförmige Inseln, Flussdeltas und Sedimente zeigen, dass früher große Wassermengen flossen und Seen bestanden. Salzlager, Carbonate, Hämatitkügelchen, Goethit und Kieselsäurehydrate belegen ebenfalls frühere Einwirkung von Wasser. Heute liegt Wasser vor allem als Eis vor. Unter der südlichen Polarregion wurden bis zu 3,7 km tiefe Wassereisschichten mit einem geschätzten Volumen von bis zu 1,6 Millionen km³ nachgewiesen. Auch außerhalb der Pole befindet sich Bodeneis.

Hinweise auf heutiges flüssiges Wasser sind teilweise umstritten: Veränderungen an Rinnen könnten durch salzhaltiges Wasser, aber auch durch sublimierendes Kohlendioxideis entstehen. 2018 wurden Radardaten als Hinweis auf einen etwa 20 km breiten See 1,5 km unter dem Südpol-Eis gedeutet. Eine 2024 veröffentlichte Auswertung von InSight-Daten deutet auf große Wassermengen in 10 bis 20 km Tiefe hin. Saisonale Erwärmung und Staubstürme transportieren Wasser in die obere Atmosphäre und trugen während der letzten Milliarde Jahre zum Wasserverlust bei.

Mars besitzt wie die Erde Kruste, Mantel und Kern. Die Kruste ist durchschnittlich etwa 50 km dick, schwankt aber zwischen 5 bis 10 km unter Hellas Planitia und ungefähr 115 km unter Tharsis. Darunter liegen eine 400 bis 600 km dicke feste Lithosphäre und der konvektive Mantel. Der überwiegend aus Eisen bestehende Kern enthält viele leichte Elemente, darunter etwa 14 bis 17 % Schwefel. Mars besitzt heute kein globales Magnetfeld; es ging vermutlich etwa 500 Millionen Jahre nach seiner Entstehung verloren. Starke örtliche Magnetisierungen der Kruste, besonders im Süden, sind Reste des früheren Feldes.

Entstehung und Monde

Mars entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren durch die Zusammenballung kleiner Körper, der Planetesimale. Vor etwa 4 Milliarden Jahren bildete sich eine feste Kruste, die stark von Asteroiden und Kometen bombardiert wurde.

Die Noachische Periode vor 3,8 bis 3,5 Milliarden Jahren brachte die ältesten erhaltenen Becken und Hochländer hervor. Damals begann die Zweiteilung in nördliche Tiefländer und südliche Hochländer; Vulkanismus, Wind und Wasser formten umfangreiche Ablagerungen und Talnetze. In der Hesperianischen Periode vor 3,5 bis 1,8 Milliarden Jahren entstanden große Lavaebenen, frühe Tharsis- und Elysium-Vulkane, die Valles Marineris und gewaltige Stromtäler. Ein Wasserkreislauf führte Wasser in den Untergrund und durch hydrothermale Prozesse wieder an die Oberfläche. Mit der Abkühlung des Planeten endete dieser Vorgang vor etwa 1,5 Milliarden Jahren weitgehend. Die Amazonische Periode begann vor 1,8 Milliarden Jahren. In ihr entstanden jüngere Vulkane und Lavaebenen; heute prägen vor allem Winderosion und Hangrutschungen die Oberfläche.

Phobos und Deimos wurden 1877 von Asaph Hall entdeckt. Ihre großen Halbachsen betragen etwa 9376 beziehungsweise 23.459 km. Phobos umläuft Mars in 7 Stunden, 39 Minuten und 12 Sekunden, Deimos in 30 Stunden, 18 Minuten und 43 Sekunden. Phobos bewegt sich durch Gezeitenwechselwirkung langsam nach innen und dürfte in ungefähr 50 Millionen Jahren auf Mars stürzen oder zu einem vorübergehenden Ring auseinandergerissen werden. Deimos driftet dagegen langsam nach außen und wird Mars in ferner Zukunft entkommen.

Erforschung und Suche nach Leben

Mars wurde bereits in der Antike beobachtet. Präzise Positionsmessungen Tycho Brahes ermöglichten Johannes Kepler die Berechnung der elliptischen Marsbahn und die Ableitung seiner drei Gesetze. Seit 1877 führten Giovanni Schiaparellis als „Canali“ bezeichnete Linien zu Spekulationen über künstliche Kanäle. Raumsonden zeigten später, dass keine solchen breiten Bauwerke existieren.

Mariner 4 lieferte 1965 die ersten 22 Nahaufnahmen. Mars 3 gelang 1971 die erste weiche Landung, doch der Funkkontakt brach nach 20 Sekunden ab. Viking 1 und 2 landeten 1976 und übermittelten Farbbilder und Bodenmessungen. Mars Pathfinder setzte 1997 mit Sojourner erstmals ein kleines Marsfahrzeug ein. Spirit und Opportunity landeten 2004; Opportunity blieb bis 2018 aktiv und fand deutliche Hinweise auf eine früher warme und feuchte Umwelt. Phoenix bestätigte 2008 Wassereis im Boden. Curiosity landete 2012 für geologische Untersuchungen, InSight 2018 zur Erforschung des Inneren. 2021 erreichten die emiratische Klimasonde al-Amal sowie Chinas Tianwen-1 mit dem Rover Zhurong den Mars. Perseverance landete 2021 im Jezero-Krater, sucht nach Spuren früheren mikrobiellen Lebens und sammelt Proben; sein Hubschrauber Ingenuity absolvierte am 19. April 2021 einen Demonstrationsflug. Eine geplante Mars Sample Return-Mission soll sicher verpackte Proben zur Erde bringen.

Höheres oder intelligentes Leben gibt es auf Mars nicht. Primitive Mikroben tiefer im Boden gelten jedoch als denkbar, weil sie dort vor UV-Strahlung geschützt wären. Die Viking-Experimente von 1976 ergaben bei drei biologischen Versuchen positive Reaktionen, fanden mit Gaschromatographie und Massenspektrometrie aber keine kohlenstoffhaltigen organischen Stoffe. Deshalb lieferten sie weder einen schlüssigen Nachweis noch einen sicheren Ausschluss von Leben. Auch Strukturen im Marsmeteoriten ALH 84001, Methan in der Atmosphäre und Hämatitkügelchen wurden als mögliche Hinweise diskutiert, besitzen aber keine eindeutige Beweiskraft. Aktuelle Untersuchungen suchen daher nach früheren bewohnbaren Umgebungen, organischen Stoffen und der Herkunft des Methans.