Die frühe Marsatmosphäre war einst voller Kohlendioxid, doch im Laufe der Zeit verdünnte sich diese dichte Atmosphäre drastisch. Wohin ist der ganze Kohlenstoff verschwunden? Die Antwort könnte in den Gesteinen und Mineralien liegen, die die Marsoberfläche bedecken.

Die Geologen Joshua Murray und Oliver Jagoutz vom Massachusetts Institute of Technology haben eine mögliche Lösung für dieses seit langem bestehende Rätsel aufgedeckt. Ihre neuen Forschungsergebnisse, die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass bei der Umwandlung von eisen- und magnesiumreichem Gestein auf dem Mars erhebliche Mengen an abiotischem (nicht biologischem) Methan entstanden sein könnten. Dieses Methan könnte dann in den Tonmineralen der Marskruste eingeschlossen und konserviert worden sein und ein bisher unerkanntes Kohlenstoffreservoir darstellen.

"Auf der Erde wissen wir, dass die hydrothermale Umwandlung von ultramafischem Gestein abiotisches Methan erzeugen kann", erklärt Murray. "Und wir wissen auch, dass Tonminerale auf dem Mars, wie Smektit, eine hohe Kapazität haben, organische Kohlenstoffverbindungen zu adsorbieren und zu schützen. Wir wollten also untersuchen, ob dieser Prozess eine wichtige Rolle beim Verlust der frühen Marsatmosphäre gespielt haben könnte."

Man schätzt, dass die frühe Marsatmosphäre zwischen 0,25 und 4 Bar Kohlendioxid enthielt - viel dicker als die dünnen 0,054 Bar, die heute existieren. Diese dramatische Ausdünnung hat Planetenforscher jahrzehntelang vor ein Rätsel gestellt, da Modelle für das Entweichen der Atmosphäre in den Weltraum den fehlenden Kohlenstoff nicht vollständig erklären können.

"Die Herausforderung besteht darin, dass die bekannten Raten des Kohlenstoffverlusts in den Weltraum um Größenordnungen zu niedrig sind, um das Verschwinden dieser Menge CO2 zu erklären", sagt Jagoutz. "Es muss eine andere große Kohlenstoffsenke geben, die wir übersehen.

Hier kommen die Tonminerale ins Spiel. Wenn Wasser-Gesteins-Reaktionen auf dem Mars ultramafische, eisen- und magnesiumreiche Gesteine verändern, können sie sowohl Serpentin (ein grünliches, wasserhaltiges Silikatmineral) als auch Smektit-Tone erzeugen. Diese Tone haben eine unglaublich große Oberfläche, die reichlich Gelegenheit zur Adsorption und zum Schutz organischer Moleküle bietet.

"Im Wesentlichen wird bei der Oxidation von Eisen in Olivin während der Serpentinisierung Wasserstoff freigesetzt, der dann mit CO2 zu Methan reagieren kann", erklärt Murray. "Und dieses Methan kann in den Zwischenräumen der sich bildenden Tonminerale eingeschlossen und konserviert werden.

Anhand eines Massenbilanzmodells errechneten die Forscher, dass eine globale Serpentinschicht von nur 2 km Dicke rund 5 Bar atmosphärisches CO2 zu Methan reduziert haben könnte. Und die Tonminerale, die sich bei der Umwandlung dieser ultramafischen Gesteine bilden, insbesondere Smektit, haben die Fähigkeit, eine schwindelerregende Menge dieses organischen Kohlenstoffs zu speichern.

"Wir schätzen, dass zwischen 0,07 und 1,7 Bar CO2 in Form von adsorbiertem Methan in der Marskruste gebunden sein könnten", sagt Jagoutz. "Das ist ein riesiges potenzielles Reservoir, das einen großen Beitrag zur Erklärung des fehlenden Kohlenstoffs leisten könnte.

Die Auswirkungen dieser Arbeit gehen jedoch über den Kohlenstoffkreislauf hinaus. Die Forscher zeigen auch, dass die Bildung und Erhaltung dieses abiotischen Methans die Isotopenzusammensetzung der Marsatmosphäre im Laufe der Zeit erheblich beeinflusst haben könnte.

"Bei der Methanbildung wird bevorzugt das leichtere Kohlenstoff-12-Isotop eingebaut", erklärt Murray. "Wenn also atmosphärisches CO2 in Methan umgewandelt und in der Kruste vergraben wird, erwartet man, dass das verbleibende CO2 zunehmend mit dem schwereren Kohlenstoff-13-Isotop angereichert wird."

Die Modelle des Teams deuten darauf hin, dass bei ihrer "besten Schätzung" des Tonvolumens das atmosphärische δ13C (das Verhältnis von Kohlenstoff-13 zu Kohlenstoff-12) um 1,9 bis 14 Promille angereichert gewesen sein könnte. Dies stimmt bemerkenswert gut mit Messungen der modernen Marsatmosphäre überein, die einen δ13C-Wert von 48 Promille aufweist - weit entfernt von dem Bereich von -30 bis -20 Promille, der für die ursprüngliche Zusammensetzung des Planetenmantels erwartet wird.

"Die Tatsache, dass unser abiotisches Methanmodell einen großen Teil dieser Isotopenanreicherung erklären kann, ist wirklich spannend", sagt Jagoutz. "Es bietet eine mögliche Erklärung für dieses seit langem bestehende Rätsel in der Geochemie des Mars."

Die Forscher weisen darauf hin, dass ihre Schätzungen der Größe des organischen Kohlenstoffreservoirs konservativ sind. Die Tonminerale, insbesondere Smektit, haben eine noch größere Fähigkeit, polare organische Moleküle zu adsorbieren und zu schützen als nur Methan.

"Methan ist eine relativ einfache, unpolare Verbindung", erklärt Murray. "Aber wir wissen, dass die Schlammsteine des Mars viel komplexere organische Signaturen enthalten. Wenn diese Arten von Verbindungen auch auf Tonoberflächen stabilisiert werden, könnte das gesamte organische Kohlenstoffreservoir noch größer sein."

Dies hat faszinierende Auswirkungen, nicht nur auf unser Verständnis der Marsvergangenheit, sondern auch auf die künftige Erforschung und potenzielle Nutzung von Ressourcen. Wenn tatsächlich beträchtliche Mengen an organischem Kohlenstoff in der Marskruste gebunden sind, könnte dies eine wertvolle Treibstoffquelle für künftige Roboter- und Menschenmissionen darstellen.

"Methan ist ein unglaublich nützlicher Treibstoff für Raumfahrzeuge", sagt Jagoutz. "Und wenn wir diese vergrabenen organischen Kohlenstoffreserven anzapfen können, könnte dies die Menge an Material, die wir von der Erde aus starten müssten, um die langfristige Erforschung des Mars zu unterstützen, drastisch reduzieren."

Darüber hinaus werfen die Ergebnisse des Teams auch ein neues Licht auf die grundlegenden Prozesse, die die Bewohnbarkeit von Gesteinsplaneten im weiteren Sinne bestimmen. Auf der Erde ist der Kreislauf des Kohlenstoffs zwischen der Atmosphäre, den Ozeanen und der Kruste eng mit der Plattentektonik verbunden - einem Prozess, der die Oberfläche kontinuierlich erneuert und Kohlenstoff recycelt.

Doch auf dem Mars, wo es keine aktive Plattentektonik gibt, scheint sich ein ganz anderer Kohlenstoffkreislauf entwickelt zu haben. Hier könnten die Umwandlung von ultramafischem Gestein und die anschließende Einlagerung von organischem Kohlenstoff in Tonmineralien eine quasi permanente Senke dargestellt haben, was sich auf die Klimaentwicklung des Planeten auswirkt.

"Was wir auf dem Mars sehen, ist eine Momentaufnahme dessen, was auf einem felsigen Planeten ohne Plattentektonik passieren kann", sagt Murray. "Die Adsorption von organischem Kohlenstoff an Tonoberflächen könnte ein grundlegender Prozess in der atmosphärischen Entwicklung von Planeten sein, der eng mit der geologischen Beschaffenheit eines Planeten verknüpft ist".

Dies wiederum hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Suche nach Leben anderswo im Universum. Schließlich ist die Erhaltung organischer Verbindungen eine wichtige Voraussetzung für die Entstehung und das Fortbestehen der Biologie. Und auf einer tektonisch inaktiven Welt wie dem Mars könnte mineralisch geschützter organischer Kohlenstoff eine der wenigen Möglichkeiten für eine solche Bewahrung darstellen.

"Wenn wir Beweise für komplexe organische Moleküle in den Schlammsteinen des Mars finden, könnte dies ein verlockendes Zeichen dafür sein, dass sich dort einst Leben angesiedelt haben könnte", sagt Jagoutz. "Aber auch wenn es keine Biologie gibt, sind diese abiotischen organischen Reservoirs für sich genommen faszinierend, da sie einen Einblick in die frühe Evolution der terrestrischen Planeten geben."

Während der Perseverance-Rover weiterhin den Jezero-Krater erforscht und der Curiosity-Rover immer wieder neue organische Signaturen entdeckt, hat die Suche nach Kohlenstoff auf dem Mars gerade erst begonnen. Doch mit diesem neuen Modell der abiotischen Methanproduktion und der Adsorption von Tonmineralen verfügen die Planetenforscher nun über einen leistungsfähigen Rahmen, um zu verstehen, wie sich das Schicksal dieses Kohlenstoffs über Milliarden von Jahren abgespielt haben könnte.

"Der Mars ist ein unglaubliches natürliches Labor zur Untersuchung der gemeinsamen Entwicklung von Geologie, Klima und Lebenspotenzial eines Planeten", so Murray abschließend. "Und indem wir den komplexen Tanz zwischen Wasser, Gestein und Kohlenstoff enträtseln, kommen wir dem Puzzle der bemerkenswerten Geschichte des Mars näher.

Hinweis(e)

1. Murray und Jagoutz, Sci. Adv. 10, eadm8443 (2024) 25 September 2024

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