Wechselwirkung des Mars mit dem Sonnenwind: Hybrid-Simulationen mit besonderem Bezug zur Wasserbilanz

Bößwetter, Alexander

doi:10.24355/dbbs.084-200908180200-6

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Wechselwirkung des Mars mit dem Sonnenwind : Hybrid-Simulationen mit besonderem Bezug zur Wasserbilanz

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Seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts ist Mars immer wieder das Ziel von Raumfahrtmissionen gewesen, um unter anderem nach Wasser auf unserem Nachbarplaneten zu suchen. Nachdem die bisher analysierten Oberflächenmerkmale auf ein Vorhandensein von flüssigem Wasser beim Entstehen der Oberfläche deuten, wurde im Juni 2008 von der Sonde Phoenix erstmals Wassereis unter der Oberfläche direkt nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, wieviel Wasser Mars in den vergangenen 4,5 Milliarden Jahren verloren hat und welche Mechanismen dabei eine Rolle gespielt haben. Bei den nichtthermischen Mechanismen hat insbesondere die Umströmung des Sonnenwindplasmas um die Marsatmosphäre mittels seiner elektromagnetischen Felder entscheidenden Einfluß auf den Verlust planetarer Sauerstoff- und Wasserstoffionen. Dieses Wechselwirkungsszenario wurde mit numerischen Plasmasimulationen untersucht. Das verwendete Hybrid-Modell erfasst vollständig die Ionendynamik durch eine kinetische Beschreibung der Ionen. Die Elektronen werden als massenlose Flüssigkeit modeliert. Eine Reihe von Ergebnissen wird vorgestellt: (a) In Übereinstimmung mit dem ASPERA-3 Experiment auf Mars-Express werden zwei Plasmagrenzschichten und zwar der Bow Shock und die "Ion Composition Boundary" identifiziert. (b) Es wird gezeigt, dass beim Vorbeiflug der Raumsonde Rosetta eine Anomalie des Oberflächenmagnetfeldes registriert wurde. (c) Ausgehend von Beobachtungen der heutigen Atmosphäre und "äußeren" Einflüssen wie der Sonnenstrahlung und des Sonnenwindes wird die mögliche Entwicklung des Marsklimas skizziert. Dabei werden Variationen der Sonnenwinddichte und des interplanetaren Magnetfeldes auf die planetaren Verlustraten untersucht. Eine Analyse der Verlustraten erlaubt die Abschätzung der Mächtigkeit eines globalen Marsozeans in der Frühphase der Planetengeschichte.

Mars has been a major target of exploration and search for water since the beginning of the space age in the 1960s. Previously analyzed characteristics of the Martian surface suggest the occurance of liquid water during the surface formation. In June 2008, however, the existence of water ice beneath the surface was directly proved for the first time by the Phoenix Mars Lander. This thesis addresses the issue of how much water Mars has lost in the past 4.5 billion years. Furthermore, it will show which mechansims have played a decisive role in this process. Focussing on the non-thermal mechanisms, the solar wind flow around the Martian atmosphere has an essential influence on the loss of planetary oxygen and hydrogen ions due to its electromagnetic fields. This interaction scenario was analysed using numerical 3D plasma simulations. The hybrid model captures the ion dynamics by a kinetic description of the ions with the electrons being modeled as a massless fluid. A number of results will be presented: (a) In accordance with the ASPERA-3 experiment onboad Mars Express, two plasma boundaries are identified, namely the Bow Shock and the Ion Composition Boundary. (b) It is shown that Rosetta registered local crustal magnetic fields when the space probe performed a swing-by manoeuvre at Mars. (c) A possible evolution of the Martian climate will be outlined, based on observations of today's atmosphere and "external" influences such as solar radiation and the solar wind. Variations of the solar wind density and variations of the interplanetary magnetic field will also be taken into account for determining the planetary loss rates. An analysis of the loss rates allows the estimation of the depth of a global Martian ocean in the early stages of planetary history.