Kohlendioxid-Geysire und Geologische Spinnen am Südpol des Mars

K.-Michael Aye

Freie Universität Berlin · Institut für Geowissenschaften · Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung

Planetarium Potsdam · 11. November 2026

11 Nov. 2026

Beruflicher Werdegang

Heidelberg · Diplom Physik, Schwerpunkt Hochenergiephysik und Astronomie

Durham (UK) · PhD in Hochenergie-Astroteilchenphysik

MPS · Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen: Framing Camera auf der Asteroidenmission Dawn

Bern (CH) · Physikalisches Institut, Universität Bern: BELA-Laseraltimeter auf der Merkurmission BepiColombo

UCLA · University of California, Los Angeles: Diviner-Radiometer auf dem Lunar Reconnaissance Orbiter

LASP · Laboratory for Atmospheric and Space Physics, Boulder, Colorado: UVIS, ein UV-Spektrometer auf der Saturnmission Cassini. Marsforschung, Initiierung des Citizen-Science-Projekts Planet Four

Freie Universität Berlin · JANUS-Kamera auf der Jupitermission JUICE, und wieder BELA

Bevor es auf den Mars geht, ein paar Worte dazu, wer da vorne steht. Studiert habe ich Physik in Heidelberg, mit Schwerpunkt auf Hochenergiephysik und Astronomie. Promoviert habe ich dann in Durham in England, in der Hochenergie-Astroteilchenphysik, also bei den energiereichsten Teilchen, die aus dem Weltall zu uns kommen.

Danach kam der Wechsel in die Planetenforschung, und seitdem geht es bei mir fast immer um Instrumente auf Raumsonden. Am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung war das die Framing Camera der Asteroidenmission Dawn, die zu Vesta und Ceres geflogen ist. In Bern war es BELA, ein Laseraltimeter, das auf BepiColombo zum Merkur fliegt und dort die Oberfläche vermisst. An der UCLA in Los Angeles habe ich mit Diviner gearbeitet, einem Wärmestrahlungsmessgerät auf dem Lunar Reconnaissance Orbiter, der den Mond umkreist. Am LASP in Boulder, Colorado, war es dann UVIS, ein UV-Spektrometer auf der Saturnsonde Cassini.

Seit einigen Jahren bin ich an der Freien Universität Berlin. Dort arbeite ich an der JANUS-Kamera der Jupitermission JUICE, die gerade zu den Eismonden unterwegs ist, und wieder an BELA, das inzwischen fast am Merkur angekommen ist. Der Mars und sein Südpol begleiten mich durch all diese Stationen hindurch seit vielen Jahren, und das Projekt Planet Four, von dem ich Ihnen am Ende erzählen werde, ist aus dieser Arbeit entstanden.

Das Marsjahr

Blick von oben auf die Marsbahn. Ls ist der Jahreszeitenwinkel. Die Sonne sitzt nicht genau in der Mitte: im Südsommer ist der Mars ihr am nächsten.

687 Tage dauert ein Marsjahr: fast zwei Erdenjahre

6 Monate Winter am Südpol des Mars

1 Jahr Polarnacht am Südpol des Mars

Bevor wir zum Südpol fliegen, ein paar Eckdaten, damit die Zeiträume heute Abend einzuordnen sind. Sie sehen die Marsbahn von oben, die Sonne in der Mitte. Der Mars braucht für einen Umlauf 687 Tage, also fast zwei Erdenjahre. Alles, was auf der Erde ein Jahr dauert, dauert auf dem Mars doppelt so lang: der Jahreslauf, jede Jahreszeit, und damit auch jeder Winter und jede Polarnacht.

Planetenforscher zählen das Marsjahr nicht in Monaten, sondern in Grad. Wir nennen das die solare Länge, kurz Ls, und Sie können sich das als Jahreszeitenwinkel vorstellen: Bei null Grad beginnt auf der Nordhalbkugel der Frühling, so wie bei uns am 20. März. Bei 90 Grad beginnt der Nordsommer, bei 180 Grad der Herbst im Norden, und das ist gleichzeitig der Frühlingsanfang im Süden. Um diese Stelle der Bahn geht es heute Abend fast die ganze Zeit. Bei 270 Grad beginnt der Südsommer, und bei 360 Grad ist das Marsjahr um.

Ein Detail, das Sie vielleicht im Bild erkennen: Die Sonne sitzt nicht genau in der Mitte der Bahn. Die Marsbahn ist deutlich ovaler als die Erdbahn, und der Mars ist der Sonne im Südsommer am nächsten. Deshalb ist der Südsommer kurz und heiß, und der Südwinter ist lang: etwa sechs Monate, gegenüber drei Monaten bei einem Winter auf der Erde. Die Polarnacht am Südpol dauert ein ganzes Erdenjahr, auf der Erde ein halbes.

Merken Sie sich zwei Zahlen: Ein Marsjahr sind 687 Tage, und alles dauert doppelt so lang wie bei uns. Mit diesen Zahlen im Kopf schauen wir jetzt in den Winter am Südpol.

Winter am Südpol: ca. ein Meter Trockeneis, überall!

Die Südpolregion von oben, der Pol in der Mitte. Der weiße Fleck ist der Sommerrest der Eiskappe, etwa 420 km groß; im Winter wächst sie weit über den Kartenrand hinaus. Blaue Punkte: unsere Beobachtungsgebiete.

95 % CO₂ Die Marsluft besteht fast nur aus Kohlendioxid

−125 °C Bei dieser Temperatur gefriert Kohlendioxid

~1 Meter dicke Platte aus Trockeneis, jeden Winter neu

¼ der Luft friert am Pol aus: der Luftdruck des ganzen Planeten sinkt

Karte: Planet Four

Der Mars hat Jahreszeiten wie die Erde, denn seine Achse ist ähnlich geneigt wie unsere. Aber ein Marsjahr dauert fast zwei Erdenjahre, also dauert auch jede Jahreszeit fast doppelt so lang. Der Winter am Südpol des Mars bedeutet fast ein ganzes Erdenjahr Polarnacht, und in dieser Nacht wird es kälter als irgendwo auf der Erde.

Die Marsatmosphäre besteht zu über 95 Prozent aus Kohlendioxid. Das ist das Gas, das bei uns in der Sektflasche sprudelt und das wir ausatmen. Bei etwa minus 125 Grad Celsius wird dieses Gas fest. Auf der Erde kennen wir das als Trockeneis, das Zeug, das auf Bühnen für Nebel sorgt. Am Südpol des Mars werden diese minus 125 Grad im Winter unterschritten. Und dann passiert etwas, das es auf der Erde nicht gibt: Die Luft selbst friert aus. Nicht Wasser schneit vom Himmel, sondern die Atmosphäre.

Bis zu einem Viertel der gesamten Marsatmosphäre liegt im Winter als Trockeneis auf dem Boden der Polarregion. Der Luftdruck auf dem ganzen Planeten sinkt dadurch messbar. Diese Eisdecke ist etwa einen Meter dick und bedeckt eine Fläche, die bis weit über den sechzigsten Breitengrad reicht, also eine Fläche so groß wie mehrere Male Europa.

Die Karte zeigt die Südpolregion von oben, der Pol liegt in der Mitte. Was Sie hier weiß sehen, ist nur der Rest der Eiskappe, der den Sommer überlebt, etwa 400 Kilometer groß. Im Winter wächst die Kappe weit über den Kartenrand hinaus und bedeckt alles, was hier braun ist. Die blauen Punkte sind unsere Beobachtungsgebiete: Stellen rund um den Pol, die wir seit Jahren jeden Frühling fotografieren. Namen wie Inca City, Giza, Ithaca oder Manhattan haben Kollegen vergeben, weil sich Koordinaten schlecht merken lassen. Einige davon werden Ihnen heute Abend noch öfter begegnen.

Wichtig für unsere Geschichte ist, wie dieses Eis aussieht. Das meiste davon fällt nicht als Schnee, sondern schlägt sich direkt aus dem Gas als feste Schicht nieder, so wie Reif an einer kalten Scheibe. An manchen Orten und zu manchen Zeiten schneit es allerdings auch Kohlendioxid, das zeigen Messungen vom Orbit. Für uns zählt, was daraus wird: Mit der Zeit entsteht eine dichte, durchsichtige Platte, ähnlich wie das klare Eis auf einem zugefrorenen See. Durchsichtig. Merken Sie sich das Wort, es ist der Schlüssel zu allem, was gleich kommt.

Unter dieser Eisplatte liegt der Marsboden: dunkler Sand und Staub, rotbraun, wie wir ihn von den Rover-Bildern kennen. Und über der Platte: Polarnacht, monatelang. Dann, irgendwann im August nach unserem Kalender, kommt die Sonne zurück.

Der Frühling kommt: dunkle Flecken auf hellem, aber transparentem CO₂-Eis

Aktivität nach Ende der Polarnacht

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona (PSP_003092_0985, Ausschnitt ca. 6 km breit)

Das ist der Moment, mit dem alles beginnt. Die Sonne steht im Frühling am Südpol zunächst nur ein paar Grad über dem Horizont, kaum höher als die Abendsonne bei uns. Aber sie geht nicht mehr unter. Sie läuft im Kreis um den Horizont, Tag und Nacht, und ihre Energie sammelt sich an.

Was wir dann aus dem Orbit sehen, zeigt dieses Bild. Es ist eine echte HiRISE-Aufnahme, etwa sechs Kilometer breit. Der helle Grund ist die Trockeneisdecke, so wie sie den Winter überstanden hat. Und auf ihr: dunkle Flecken, hunderte davon, viele mit einem Schweif, als hätte jemand mit einem Pinsel über das Eis gewischt.

Diese Flecken sind nicht immer da. Wenige Wochen vor dieser Aufnahme war das Eis makellos weiß. Dann erscheinen die ersten dunklen Punkte, immer an denselben Stellen wie im Jahr zuvor. Sie werden größer, es kommen neue dazu, und nach ein paar Monaten ist das Eis verschwunden, und mit ihm die Flecken. Der Boden darunter sieht dann wieder aus wie vorher.

Ich habe vor Jahren in einem kleinen Blogbeitrag geschrieben: Wo Sonne ist, ist Energie. Das klingt banal, aber es ist genau der Punkt. Die Energie der Sonne muss irgendwo hin. Bei uns auf der Erde schmilzt sie Schnee zu Wasser. Auf dem Mars ist das anders, denn Trockeneis schmilzt nicht. Es wird bei den niedrigen Drücken dort direkt vom festen Zustand zu Gas. Das nennt man Sublimation, und Sie kennen den Effekt von Trockeneis-Nebel, der aus einer Bowleschüssel quillt.

Die Frage, die Forscher sich um die Jahrtausendwende gestellt haben, war also: Wenn das Eis einfach von oben in die Luft geht, warum sieht es dann nicht einfach aus wie schmelzender Schnee, der langsam dünner wird? Woher kommen die dunklen Flecken? Und warum haben so viele von ihnen einen Schweif?

Die Antwort darauf hat einen Mann namens Hugh Kieffer gefunden, und sie war so ungewöhnlich, dass lange nicht alle daran glauben wollten. Bevor ich sie erzähle, erst noch ein Wort zur Sonne, die am Pol so tief steht, und dann zeige ich Ihnen, wie vielfältig diese Flecken sind.

Fächer, Flecken, Spinnen: ein Formenreichtum

Inca City: Fächer auf dem Eis (PSP_002868_0985, ca. 300 m)

Giza: Fächer entlang „Spinnenarmen“ (ESP_011447_0950, ca. 100 m)

Lange Streifen: starker Wind beim Ausbruch (ESP_011960_0925, ca. 300 m)

Nordpol: Geysire auf Dünenkämmen (PSP_007043_2650, ca. 100 m)

Nordpol: Fächer entlang von Rissen im Eis (PSP_007369_2600, ca. 300 m)

Frische Fächer sind oft weiß, im Vergleich zum Untergrund (PSP_002942_0935, ca. 300 m)

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona · Auswahl: G. Portyankina

Bevor ich Ihnen die Erklärung zeige, möchte ich Ihnen erst einmal zeigen, wie vielfältig diese dunklen Flecken sind. Sechs Ausschnitte aus HiRISE-Bildern, alle in echten oder leicht verstärkten Farben, jeder ein paar hundert Meter breit. Ein Fußballplatz wäre auf diesen Bildern ein kleines Rechteck.

Oben links: Inca City, eines unserer wichtigsten Beobachtungsgebiete am Südpol. Dunkle Fächer liegen auf hellem Eis, und darunter schimmern verzweigte Rinnen durch, die Spinnen, von denen ich später erzählen werde. Oben in der Mitte: Giza, ein anderes Gebiet, hier brechen die Fächer an einer Hangkante aus und ziehen sich alle in dieselbe Richtung. Oben rechts: lange, dünne Streifen. Hier hat beim Ausbruch ein kräftiger Wind geweht und das Material weit verteilt.

Unten links sind wir am Nordpol. Das sind Dünen, und auf den Dünenkämmen sitzen kleine dunkle Punkte mit Schweif. Das ist das gleiche Phänomen wie am Südpol, nur auf Sand statt auf Fels. Unten in der Mitte, wieder Nordpol: Das Eis hat Risse, und entlang dieser Risse reiht sich ein Fächer an den anderen, denn ein Riss ist der einfachste Weg nach oben. Unten rechts schließlich Flecken ganz ohne Schweif, rund und dunkel. Hier war es beim Ausbruch windstill.

Was haben alle sechs gemeinsam? Dunkles Material liegt auf hellem Eis, es taucht im Frühling auf, und es ist an beiden Polen zu finden. Und die Form, Fächer, Streifen oder Fleck, hängt offenbar vom Wind ab und vom Gelände, aus dem es kommt. Ein Phänomen, viele Gesichter.

Ich sage dazu noch, dass diese Sammlung von meiner Frau und engsten Kollegin Ganna Portyankina stammt, die seit vielen Jahren mit mir an diesem Thema arbeitet. Die Namen der Gebiete, Inca City, Giza, später auch Ithaca und Manhattan, haben Kollegen vor Jahren vergeben, weil sich Koordinaten schlecht merken lassen. Sie werden mir heute Abend noch öfter begegnen.

Nun zur Erklärung. Hugh Kieffer hatte Ende der 1990er Jahre einen Widerspruch gefunden: Eine große Region am Südpol war so kalt wie Trockeneis, aber so dunkel wie nackter Fels. Eis, das dunkel ist. Seine Auflösung: Das Eis ist durchsichtig, man sieht den Boden darunter. Und wenn das Sonnenlicht bis zum Boden kommt, dann passiert etwas, das ich Ihnen jetzt Schritt für Schritt zeige.

Ein Frühling in sechs Bildern: Inca City

Die Sonne geht auf: erste Flecken
Die Flecken wachsen und bekommen Schweife
Blauer Reif legt sich auf den Staub
Diese Sequenz dauerte ca. 80 Tage

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona · Zeitreihe: Planet Four

Jetzt möchte ich Ihnen zeigen, wie ein ganzer Frühling abläuft, an einem Ort, den wir seit vielen Jahren beobachten. Er heißt Inca City, weil die Bergrücken dort, aus dem Orbit gesehen, an die Mauern einer Ruinenstadt erinnern. In Wirklichkeit sind es uralte, vom Eis freigelegte Gesteinsgänge.

Die sechs Streifen sind sechs HiRISE-Aufnahmen derselben Stelle, von links nach rechts im Abstand von jeweils ein bis zwei Wochen. Über jedem Bild steht die Jahreszeit als Zahl, der Sonnenstand auf der Marsbahn. 180 ist der Frühlingsanfang, die Bilder reichen von kurz davor bis etwa sechs Wochen danach.

Ganz links, kurz vor Frühlingsanfang: Die Sonne ist gerade erst aufgegangen, das Bild ist dunkel, das Eis ist glatt, und es gibt nur wenige, kleine Flecken. Das sind die ersten Geysire. Sie brechen an Stellen aus, wo die Eisdecke dünn oder der Boden besonders dunkel ist.

Zweites und drittes Bild: Die Flecken werden größer und zahlreicher. Sie sehen jetzt deutlich die Fächerformen. Und Sie sehen, dass die neuen Flecken an denselben Stellen auftauchen, an denen im Vorjahr welche waren. Die Schlote bleiben über Jahre bestehen.

Viertes und fünftes Bild: Ein großer Teil des Eises ist mit dunklem Material bedeckt. Interessant sind die bläulichen Stellen. Das ist frischer, feinkörniger Reif, der sich auf dem dunklen Staub abgesetzt hat. Der Staub ist nämlich, kaum ist er gelandet, kälter als seine Umgebung, und das Kohlendioxid aus der Luft friert darauf wieder an. Fleck und Reif wechseln sich ab.

Ganz rechts, sechs Wochen nach Frühlingsanfang: Das Eis ist fast weg. Der rötliche Boden kommt durch, und die letzten Eisreste sind die hellen Flächen. Die großen dunklen Flecken sind jetzt Stellen, an denen der Boden schon frei liegt.

Ein paar Wochen später ist alles verschwunden. Der Boden sieht aus wie vor dem Winter, als wäre nichts gewesen. Bis zum nächsten Frühling. Und genau diese Wiederholung, Jahr für Jahr an denselben Stellen, ist es, die den Spinnen ihre Form gibt.

Geologische Spinnen (bis zu ca. 1 km!)

Rinnen im Boden, bis zu einem Kilometer groß. Viele Fächer beginnen in den Armen einer Spinne.

Modelle besagen, dass „geologische Spinnen“ (Araneiformen) geformt werden, wenn die Bodenerosion durch das komprimierte CO₂-Gas der Geysire über hunderte von Jahren erfolgt.

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona (ESP_048263_0980, Ausschnitt ca. 950 m breit)

Das ist eine Spinne, eine der schönsten, die HiRISE je aufgenommen hat. Der Ausschnitt ist knapp einen Kilometer breit, die Spinne selbst misst gut vierhundert Meter. Die dunklen Linien sind Rinnen im Boden. Sie laufen sternförmig von einem Mittelpunkt nach außen und verzweigen sich dabei immer feiner, wie die Äste eines Baums oder die Adern eines Blatts.

Der Fachbegriff lautet Araneiformen, vom lateinischen Wort für Spinne. Den Namen haben sie bekommen, weil die ersten Bilder, auf denen man sie sah, genau so aussahen: ein dunkler Körper in der Mitte, lange Beine ringsum. Die Spinnen sind zwischen einigen Dutzend Metern und etwa einem Kilometer groß. Die Rinnen sind bis zu ein paar Meter tief.

Was die Spinnen besonders macht: Es gibt sie nur auf dem Mars, und dort nur in einer Region, nämlich rund um den Südpol auf dem alten, geschichteten Untergrund der Polkappe. Weder auf der Erde noch auf einem anderen Planeten hat man je etwas Vergleichbares gefunden. Also musste der Prozess, der sie erzeugt, etwas sein, das es nur dort gibt.

Und jetzt schauen Sie auf den dunklen Hof rund um die Spinne. Das ist Staub, den Geysire aus dieser Spinne herausgeblasen haben; die Fächer von der vorigen Folie beginnen fast immer im Zentrum einer Spinne. Das ist kein Zufall, das ist der Beweis: Die Schlote der Geysire sitzen genau in den Spinnenkörpern. Das Gas, das unter dem Eis zum Schlot strömt, fließt durch diese Rinnen. Die Spinne ist das Abflusssystem des Geysirs, eingegraben in den Boden.

Wie das genau geht, hat Sylvain Piqueux 2003 vorgeschlagen, ein paar Jahre nach Kieffers Geysir-Idee, und es passt perfekt zusammen. Das Gas unter dem Eis strömt von allen Seiten zum Loch. Dabei reißt es Sand und Staub vom Boden mit und spült so flache Rinnen aus, die zum Loch hin zusammenlaufen. Jedes Jahr ein bisschen. Nach tausenden Marsjahren sind daraus die tiefen, verzweigten Spinnen geworden, die Sie hier sehen.

Das heißt, wir schauen hier auf etwas, das auf dem Mars gerade jetzt entsteht. Keine Spur einer fernen Vergangenheit, sondern Erosion, die jeden Frühling weitergeht. Das war lange nur eine Vermutung. Wie wir es inzwischen belegen konnten, zeige ich Ihnen auf der nächsten Folie.

Wie eine Spinne wächst

a bis e: vom ersten Riss zur Spinnenlandschaft

Eine junge Spinne auf einer Sanddüne: Erosion, die jetzt passiert

Spinnen aus dem Labor: Trockeneis mit Loch auf feinem Sand, bei Marsdruck

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/UArizona (PIA21258, ESP_023600_1095) · Labor: Mc Keown et al. 2021, CC BY 4.0

Wenn Spinnen durch Gas unter dem Eis wachsen, dann sollte man alle Entwicklungsstufen finden, von der ersten Rinne bis zum ausgewachsenen Netzwerk. Und genau das zeigt das große Bild links, eine Zusammenstellung von Kollegen aus dem HiRISE-Team.

Oben links, Bild a: ein einzelner dunkler Fächer, und an seiner Spitze ein winziges helles Muster. Das ist eine Spinne im allerersten Stadium, ein paar Meter groß, kaum mehr als eine Delle mit ein paar Rissen. Bild b: Ein paar Rinnen haben sich gebildet, zwanzig, dreißig Meter lang, mit dem Fächer in der Mitte. Bild c: ein ausgewachsenes, fein verzweigtes Netz, etwa hundert Meter groß, immer noch mit dem Geysir-Fächer im Zentrum. Bild d: viele Spinnen sind zusammengewachsen und bilden ein dunkles Feld von einem halben Kilometer. Und e: eine ganze Landschaft aus Spinnen, Rinne an Rinne, soweit das Bild reicht.

Rechts oben sehen Sie etwas, das wir vor einigen Jahren gefunden haben und das mich damals sehr gefreut hat. Das ist eine Spinne auf einer Sanddüne. Dünen wandern, ihre Oberfläche ist jung, also kann diese Spinne nicht alt sein. Wir haben solche Stellen über mehrere Marsjahre verfolgt und gesehen, wie neue Rinnen entstanden sind. Das heißt, die Erosion passiert wirklich jetzt, nicht in einer fernen Vergangenheit. Meine Kollegin Ganna Portyankina hat das 2017 veröffentlicht.

Und rechts unten: Spinnen aus dem Labor. Eine Gruppe um Lauren Mc Keown hat an der Open University in England das Experiment gemacht, das Kieffer sich gewünscht hätte. In einer Kammer mit Marsdruck legten sie einen Block Trockeneis mit einem Loch in der Mitte auf feinen Sand. Das Trockeneis begann zu sublimieren, das Gas strömte unter dem Block zum Loch, und als sie den Block anhoben, war im Sand eine kleine Spinne eingegraben. Ein paar Zentimeter groß, aber mit genau der Form, die wir vom Mars kennen. Das war 2021 der erste experimentelle Beleg für das Modell.

Damit ist die Geschichte der Spinnen eigentlich rund: Sonne, durchsichtiges Eis, Gas unter dem Eis, ein Loch, ein Geysir, ein Fächer auf dem Eis und eine Spinne im Boden, Jahr für Jahr. Was fehlt, ist das Messen. Wie viele Geysire gibt es, wo, wann, wie stark, und aus welcher Richtung weht dabei der Wind? Dafür reichen ein paar Wissenschaftler nicht aus. Dafür brauchten wir Hilfe.

Kieffer-Modell: Ein Treibhaus unter dem Eis

Nur auf dem Mars, mit CO₂-Eis. Auf der Erde gibt es das nicht; Neptuns Mond Triton zeigt Ähnliches vielleicht mit Stickstoffeis.

■ klares Trockeneis, ~1 m ■ dunkler Boden ■ gefangenes Gas

Modell: Kieffer (2000, 2006)

Hier ist das Modell, das Hugh Kieffer um das Jahr 2000 aufgestellt hat, in vier Schritten. Ich nenne es gern das Treibhaus unter dem Eis, denn genau so funktioniert es.

Schritt eins. Die Frühlingssonne scheint auf die Eisplatte. Weil das Eis durchsichtig ist, geht das Licht hindurch, wie durch das Glasdach eines Gewächshauses, und trifft den dunklen Boden darunter. Dunkle Flächen schlucken Licht und werden warm. Jeder kennt das vom schwarzen Autodach im Sommer.

Schritt zwei. Der Boden erwärmt sich, und zwar von der Unterseite des Eises her. Das Eis beginnt dort zu sublimieren, es wird also von unten her zu Gas. Aber dieses Gas kann nicht weg. Über ihm liegt ein Meter feste Eisplatte. Es sammelt sich in einer dünnen Schicht zwischen Boden und Eis, und der Druck steigt. Stellen Sie sich eine Sektflasche vor, die man langsam erwärmt.

Schritt drei. Der Druck wird so groß, dass die Eisplatte ihn nicht mehr hält. Irgendwo gibt es eine Schwachstelle, einen Riss, eine dünne Stelle. Dort bricht das Eis. Das Gas von der ganzen Umgebung strömt unter dem Eis zu diesem einen Loch, wie Wasser zu einem Abfluss.

Schritt vier. Das Gas schießt durch das Loch nach oben, und zwar mit großer Geschwindigkeit. Dabei reißt es Sand und Staub vom Boden mit und schleudert sie in die Luft. Das ist der Geysir. Der Staub fällt zurück auf das Eis und bildet einen dunklen Fleck um das Loch. Und wenn Wind weht, dann trägt er den Staub ein Stück mit, und der Fleck wird zu einem Fächer, zu dem Schweif, den wir auf dem Bild davor gesehen haben.

Das Schöne an diesem Modell ist, dass es alles auf einmal erklärt: warum das Eis dunkel aussieht, warum Flecken entstehen, warum sie Schweife haben, warum sie jedes Jahr an denselben Stellen erscheinen, nämlich dort, wo der Boden besonders dunkel ist oder die Löcher vom Vorjahr noch existieren, und warum das Ganze aufhört, sobald das Eis weg ist.

Was ich betonen möchte: Das ist kein Vulkanismus, keine Wärme aus dem Inneren des Mars. Die ganze Energie kommt von der Sonne. Es ist ein Prozess, der nur deshalb funktioniert, weil die Marsluft aus einem Gas besteht, das bei den dortigen Temperaturen gefrieren und wieder verdampfen kann. Auf der Erde gibt es diesen Prozess nach allem, was wir wissen, nicht: Unser Eis ist Wassereis, und unsere Luft gefriert nicht. Der Mars ist der einzige Ort, an dem wir das Treibhaus unter dem Eis mit Kohlendioxid-Eis beobachten. Einen Verwandten gibt es vielleicht auf Triton, dem großen Mond des Neptun. Dort fand Voyager 2 im Jahr 1989 dunkle Fahnen, die etwa acht Kilometer hoch aufstiegen, und die wahrscheinlichste Erklärung ist dasselbe Prinzip, nur mit Stickstoffeis bei minus 235 Grad.

Die Sonne steht tief: Hänge fangen mehr Energie

Im Frühling steht die Sonne am Pol nur etwa 10 bis 15 Grad über dem Horizont, den ganzen Tag lang.

Der Hang erhält das 2,2-Fache an Energie pro Quadratmeter. Darum werden Hänge zur Sonne zuerst aktiv.

Die Sonne steht im Frühling am Südpol nur etwa zehn bis fünfzehn Grad über dem Horizont. Das ist ungefähr so hoch wie bei uns die Sonne eine Stunde vor dem Untergang. Und sie bleibt den ganzen Tag so tief, denn sie geht nicht unter, sondern läuft flach um den Horizont herum.

Für den Boden macht das einen riesigen Unterschied. Links sehen Sie eine ebene Fläche. Das Licht kommt so flach herein, dass sich ein Bündel Sonnenstrahlen über eine lange Strecke verteilt. Jeder Quadratmeter bekommt nur einen kleinen Anteil davon. Rechts ist dieselbe Sonne, dasselbe Strahlenbündel, aber die Fläche ist der Sonne um zwanzig Grad entgegengeneigt. Jetzt landet das ganze Bündel auf einer viel kürzeren Strecke, und jeder Quadratmeter bekommt mehr als das Doppelte an Energie.

Sie kennen das von zu Hause: Im Winter wärmt die Sonne eine Hauswand oder einen Südhang, während die ebene Wiese daneben noch gefroren ist. Am Mars-Südpol ist dieser Effekt wegen der tiefen Sonne besonders stark. Ein Hang, der zur Sonne zeigt, bekommt im Frühling mehrmals so viel Energie wie die Ebene nebenan.

Und genau das sehen wir in den Bildern. Die ersten dunklen Flecken erscheinen jedes Jahr an den Stellen, die zur Sonne geneigt sind: an Kraterwänden, an den Flanken der Hügel, an den Rändern der Täler. Die Ebenen dazwischen folgen Wochen später. Die Neigung des Bodens ist also einer der wichtigsten Schalter dafür, wo es zuerst losgeht. Das behalten wir im Hinterkopf, wenn wir gleich auf die Vielfalt der Flecken schauen.

CO₂-Eis ist nicht wie Wassereis und wenig erforscht!

Wassereis (H₂O)

Gewinkeltes Molekül, Wasserstoffbrücken

Kristalle verzahnen sich, viele verschiedene Eise je nach Druck

Trockeneis (CO₂)

Gerades Molekül, nur schwache Anziehung

Lose Plättchen: spröde, bricht leicht

Mars-Simulationskammer der Universität Aarhus, 2011

Im Labor auf Aluminium gewachsene CO₂-Eisplatten zerbrachen schon bei einigen Grad Temperaturschwankungen.

Steifigkeit bisher nur sehr ungenau vermessen!

Mikroskopbilder und Foto: Aarhus-Experimente 2011, G. Portyankina, K.-M. Aye (Universität Bern)

Dieses Modell verlangt zwei Dinge vom Eis: Es muss durchsichtig sein, und es muss am Ende brechen. Beim zweiten Punkt muss ich kurz mit einer Vorstellung aufräumen, die wir alle im Kopf haben, weil wir Eis nur als Wassereis kennen. Trockeneis verhält sich ganz anders, und der Grund dafür sitzt im Molekül.

Links Wasser. Das Wassermolekül ist gewinkelt, wie ein kleines V, und seine Enden sind elektrisch leicht geladen. Deshalb hängen sich Wassermoleküle gern aneinander, über sogenannte Wasserstoffbrücken. Im Eis entsteht so ein Netz, in dem jedes Molekül mit vier Nachbarn verbunden ist. Die Kristalle wachsen verzweigt und verzahnen sich ineinander, Sie sehen das im Mikroskopbild: wie Tannenzweige, die ineinandergreifen. Wassereis ist deshalb zäh. Gletscher fließen, Eisschollen biegen sich, bevor sie brechen.

Rechts Kohlendioxid. Dieses Molekül ist ein gerader Stab, Sauerstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, und es hat keine geladenen Enden. Die Moleküle halten sich nur über die schwächste Kraft, die es zwischen Molekülen gibt. Die Kristalle wachsen als lose Plättchen, die nebeneinanderliegen, ohne sich zu verhaken. Trockeneis ist deshalb spröde. Es bricht wie Glas, nur viel leichter.

Woher wir das so genau wissen: Wir haben es ausprobiert. 2011 haben wir, damals an der Universität Bern, eine Woche in der Mars-Simulationskammer der Universität Aarhus in Dänemark verbracht, das rote Ungetüm rechts im Bild. Darin herrschen Marsdruck und Marskälte, und man kann Kohlendioxid-Eis so wachsen lassen, wie es am Marspol wächst. Wir wollten messen, wie durchsichtig solche Platten werden und wie viel Last sie tragen. Die zweite Frage beantwortete sich fast von selbst: Jede Eisschicht, die wir wachsen ließen, zerbrach bei der kleinsten Berührung.

Durchsichtig und spröde: Deshalb funktioniert das Treibhaus unter dem Eis, und deshalb gibt die Platte am Ende nach, sobald der Gasdruck darunter groß genug ist. Was dann passiert, sehen Sie auf der nächsten Folie.

Geysire aus Trockeneis

Gas, Sand und Staub, kalt wie der Winter
Am Schlot etwa Schallgeschwindigkeit (per Modell)
Noch nie beim Ausbruch fotografiert:

Warum nicht? Missionen planen für optimale Lichtverhältnisse von Beobachtungen.

Unsere Missionen beobachten immer am Nachmittag.

Modelle sagen: Ausbruch ist morgens oder abends.

Illustration: Ron Miller / NASA

So könnte es aussehen, wenn man danebenstünde. Das Gemälde stammt von Ron Miller, einem bekannten Weltraumkünstler, und es ist nach den Vorgaben des Kieffer-Modells entstanden. Im Vordergrund sehen Sie das aufgebrochene Eis um einen Schlot, dahinter die Fontänen aus Gas und Staub, die der Wind zur Seite biegt.

Was wissen wir über diese Geysire, und was ist Vermutung? Dass das Gas, der Sand und der Staub nach oben schießen, ist sicher, sonst gäbe es die Ablagerungen auf dem Eis nicht. Wie hoch und wie schnell, das wissen wir nicht genau, weil wir es nie direkt gemessen haben. Nach unseren eigenen Modellrechnungen ist das Gas direkt am Schlot etwa so schnell wie der Schall. Danach bremst die dünne Marsluft den Staub schnell ab, und die Höhe, die er erreicht, liegt wahrscheinlich bei einigen Dutzend Metern. Es ist also kein Yellowstone, eher ein kräftiger Luftstrahl aus einem Loch im Boden.

Und jetzt kommt das, was mich an dieser Geschichte seit Jahren nicht loslässt: Noch nie hat jemand einen dieser Geysire beim Ausbruch fotografiert. Wir haben zehntausende Bilder der Südpolregion im Frühling. Wir sehen die Flecken, die Fächer, wir sehen sie von Woche zu Woche wachsen. Aber einen aktiven Strahl, eine Staubwolke in der Luft, das hat noch kein Bild gezeigt.

Warum nicht? Daran habe ich im letzten Jahr gearbeitet. Ein Grund ist, dass die Staubwolke in der Luft sehr dünn ist. Ein Fleck auf dem Eis ist dunkel, weil sich dort der Staub von vielen Ausbrüchen über Wochen angesammelt hat. Die Wolke eines einzelnen Ausbruchs enthält viel weniger Material, und sie ist durchsichtig, wenn man von oben auf sie schaut.

Ein zweiter Grund ist die Beleuchtung. Feiner Staub streut Licht vor allem nach vorn, so wie Sie Staub im Zimmer nur sehen, wenn Sie gegen die Sonne blicken. Unsere Kameras schauen aber fast immer senkrecht nach unten, mit der Sonne im Rücken. Wir müssten gegen die Sonne schauen, flach über die Oberfläche, am besten im Gegenlicht, dann würde die Wolke vielleicht zehnmal heller leuchten. Mit der europäischen Sonde Mars Express ginge das. Es ist eine der Ideen, die wir gerade verfolgen, und ich komme am Ende darauf zurück.

Fächer und Flecken: der Wind schreibt mit

Oben: HiRISE-Kacheln, je etwa 200 m breit. Unten: Markierungen von Freiwilligen, Farbe nur zur Unterscheidung.

Mit Wind: Fächer
Ohne Wind: Flecken
Ein Fächer ist ein Windsack

Fächer auf einem Dünenkamm: Gravitation (Eis kann Geysir-Gas nicht lange halten)

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona · Planet Four

Schauen wir uns die Spuren der Geysire genauer an, denn an ihnen lesen wir alles ab, was wir über die Ausbrüche wissen. Die vier Bilder sind Ausschnitte aus HiRISE-Aufnahmen, jeder etwa 200 Meter breit.

Links oben sehen Sie Fächer. Jeder Fächer hat eine Spitze, das ist der Schlot, aus dem der Geysir kam, und von dort breitet er sich in eine Richtung aus. Alle Fächer in diesem Bild zeigen in dieselbe Richtung. Das ist kein Zufall: Als diese Geysire ausbrachen, wehte der Wind aus derselben Richtung, und er hat den Staub von allen Schloten gleich weit in dieselbe Richtung getragen. Ein Fächer ist also nichts anderes als ein Windsack. Er zeigt uns, woher der Wind kam, und seine Länge sagt uns etwas darüber, wie stark er war.

Rechts oben sehen Sie das Gegenstück: Flecken. Rund, ohne Schweif. Hier war beim Ausbruch Windstille, und der Staub ist einfach um den Schlot herum heruntergefallen. Manche Flecken sind groß, manche klein, je nachdem, wie viel Material der Geysir ausgeworfen hat.

Die beiden unteren Bilder zeigen dieselben Ausschnitte mit bunten Umrissen. Das sind Markierungen von Freiwilligen, dazu komme ich später. Jede Farbe ist ein anderer Mensch, der dasselbe Bild angeschaut und eingezeichnet hat, wo er einen Fächer oder einen Fleck sieht.

Es gibt dabei eine Schwierigkeit, die Sie sich merken sollten. Ein langer Fächer kann zwei Ursachen haben: einen starken Geysir bei schwachem Wind, oder einen schwachen Geysir bei starkem Wind. Aus einem einzelnen Fächer kann man das nicht unterscheiden. Erst wenn man tausende Fächer über Wochen und über viele Jahre vergleicht, kann man die beiden Einflüsse trennen. Genau deshalb brauchen wir so viele Bilder und so viele Markierungen.

Das kleine Bild rechts unten zeigt noch eine Besonderheit: Fächer auf dem Kamm einer Sanddüne. Dort ist der Untergrund besonders dunkel und locker, und die Geysire sind besonders kräftig. Die dunklen Fahnen laufen den Hang hinunter.

Planet Four: Bürger erforschen den Mars

planetfour.org: die Projektseite auf Zooniverse, der Plattform, die aus Galaxy Zoo (2007) hervorging.

seit 2013 läuft Planet Four auf planetfour.org

40 000+ Menschen haben mitgemacht

30 Augenpaare sehen jede einzelne Bildkachel

Zooniverse · Planet Four

Die Hilfe kam aus einer unerwarteten Richtung. Im Jahr 2007 hatten Astronomen in Oxford ein Problem: eine Million Galaxienbilder, die nach ihrer Form sortiert werden sollten, Spirale oder Ellipse. Ein Computer konnte das damals nicht, ein Doktorand hätte Jahre gebraucht. Also stellten sie die Bilder ins Internet und baten die Öffentlichkeit um Hilfe. Das Projekt hieß Galaxy Zoo, und was passierte, hatte niemand erwartet: Innerhalb von Tagen beteiligten sich zehntausende Menschen, und die Million Bilder war in wenigen Monaten sortiert, jedes Bild von vielen Augen.

Daraus wurde Zooniverse, eine Plattform für solche Projekte, auf der heute Millionen Menschen Pinguine zählen, alte Handschriften abschreiben, Planeten um andere Sterne suchen. Das nennt man Bürgerwissenschaft, und sie funktioniert immer nach demselben Prinzip: Eine Aufgabe, die einfach ist, aber viel zu groß für ein Forscherteam, wird in bildschirmgroße Häppchen geteilt und vielen Freiwilligen gezeigt.

Unser Problem passte genau: Wir hatten hunderte riesige HiRISE-Bilder vom Südpol, jedes voller Fächer und Flecken, und wir wollten jeden einzelnen davon vermessen. Mit Software ging das damals nicht gut, denn die Formen sind zu unterschiedlich und der Kontrast zu schwach. Menschen dagegen erkennen einen Fächer sofort.

Also haben wir 2013 Planet Four gestartet. Der Name spielt auf den vierten Planeten an. Wir schneiden die großen HiRISE-Bilder in kleine Kacheln, die auf einen Bildschirm passen, und zeigen sie auf planetfour.org. Jede Kachel wird mindestens dreißig verschiedenen Menschen vorgelegt, unabhängig voneinander. Niemand weiß, welche Stelle des Mars er gerade sieht, damit niemand voreingenommen ist.

Seit 2013 haben über vierzigtausend Menschen mitgemacht. Die meisten nur ein paar Mal, aber es gibt einen harten Kern von vielleicht zehn bis zwanzig Leuten, die über Jahre zehntausende Kacheln bearbeitet haben. Einige davon kennen inzwischen die Südpolregion des Mars besser als die meisten Planetenforscher, und sie diskutieren in unserem Forum über Dinge, die uns entgangen sind.

Was bekommen die Freiwilligen dafür? Keine Bezahlung. Aber die Beteiligung an echter Forschung, ohne Vorkenntnisse, von zu Hause. Jede Veröffentlichung aus Planet Four dankt ihnen namentlich, und mehrere unserer Entdeckungen gehen direkt auf Hinweise aus dem Forum zurück.

So wird markiert

Dreißig Menschen, eine Kachel: jede Linie ein eingezeichneter Fächer

Viele Markierungen werden zu einem Eintrag im Katalog: 690 000 Fächer und Flecken

Planet Four / Zooniverse · HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

So sieht die Arbeit konkret aus. Links die Oberfläche von Planet Four. Oben wird eine Kachel gezeigt, rund 800 mal 600 Bildpunkte, ein Ausschnitt von etwa 200 mal 150 Metern Marsboden. Darunter die beiden Werkzeuge: ein Fächer-Werkzeug und ein Flecken-Werkzeug.

Für einen Fächer klickt man auf die Spitze, also den Schlot, zieht die Maus in die Richtung, in die er sich ausbreitet, und stellt die Öffnung ein. Für einen Fleck zieht man eine Ellipse auf. Das Ganze dauert pro Kachel ein bis zwei Minuten, und dann kommt die nächste.

Rechts oben sehen Sie, was dabei herauskommt, wenn dreißig Menschen dieselbe Kachel bearbeitet haben. Jede farbige Linie ist ein Fächer, den jemand eingezeichnet hat. Sie sehen: Im Großen und Ganzen stimmen alle überein, aber im Detail nicht. Wo hört ein Fächer auf? Der Rand ist verwaschen, und jeder Mensch zieht die Grenze woanders. Das ist übrigens bei Wissenschaftlern nicht anders. Wir haben das getestet: Mein Team hat dieselben Kacheln markiert, und wir waren untereinander genauso uneinig wie die Freiwilligen. Erfahrung hilft da nicht, der Kontrast gibt es einfach nicht her.

Also braucht man einen Schritt, der aus vielen Meinungen eine macht. Das zeigt das Bild rechts unten. Oben links die rohe Kachel, dann die Fächer-Markierungen aller Freiwilligen, dann die Flecken-Markierungen. Unsere Software sucht nach Häufungen: Wo liegen viele Markierungen fast an derselben Stelle? Jede solche Häufung wird zu einem einzigen Fächer oder Fleck zusammengefasst, mit gemittelter Position, Richtung und Größe. Und wenn sich die Freiwilligen nicht einig waren, ob etwas ein Fächer oder ein Fleck ist, entscheidet die Mehrheit.

Am Ende steht ein Katalog. Darin ist jeder Fächer und jeder Fleck ein Eintrag mit Koordinaten auf dem Mars, Richtung, Länge, Fläche und dem Datum der Aufnahme. Die aktuelle Fassung enthält rund 690.000 solcher Einträge aus 469 HiRISE-Bildern, verteilt über sechs Marsjahre und 27 Beobachtungsgebiete. Er ist frei verfügbar, und andere Forschergruppen arbeiten damit.

Was wir mit so einem Katalog anfangen können, zeige ich Ihnen auf den nächsten beiden Folien.

Wind auf dem Mars, gemessen von zu Hause

Giza: Fächerrichtungen im Laufe des Frühlings. Scharf wie eine Nadel, und jedes Jahr gleich.

Unsere Beobachtungsgebiete rund um den Südpol

Die Richtungen passen zum Wettermodell des Mars.

Portyankina et al. 2022 · Planet Four

Das Wichtigste, was im Katalog steckt, ist der Wind. Erinnern Sie sich: Jeder Fächer ist ein Windsack. Er zeigt die Windrichtung in dem Moment, als der Geysir ausbrach. Vor Planet Four gab es Windmessungen auf dem Mars nur an den wenigen Stellen, an denen Landegeräte standen, und am Südpol stand nie eines. Mit dem Katalog haben wir auf einen Schlag hunderttausende Windanzeiger, verteilt über die ganze Polregion und über die ganze Frühlingssaison.

Das linke Bild zeigt, wie wir das darstellen. Es ist eine Windrose für ein Gebiet namens Giza. Jeder Strahl zeigt, wie viele Fächer in diese Richtung zeigen. Die Animation läuft durch den Frühling: Zu Beginn der Saison zeigen fast alle Fächer in dieselbe Richtung, die Verteilung ist scharf wie eine Nadel. Im Laufe der Wochen dreht sich die Richtung langsam, um einige Dutzend Grad, und sie bleibt dabei erstaunlich geordnet.

Zwei Dinge daran haben uns überrascht. Erstens, wie scharf diese Verteilungen sind. Wenn Fächer zufällig oder vom Gelände bestimmt wären, sähe man alle möglichen Richtungen. Stattdessen sehen wir eine Richtung, das heißt, an diesem Ort brechen die Geysire offenbar alle zur selben Tageszeit aus, wenn ein ganz bestimmter Wind weht. Zweitens, dass zwei Aufnahmen von zwei verschiedenen Jahren, die am selben Frühlingstag gemacht wurden, dieselbe Windrichtung zeigen. Das Marswetter am Südpol wiederholt sich also von Jahr zu Jahr sehr genau.

Die rechte Karte zeigt alle unsere Beobachtungsgebiete rund um den Pol. An jedem davon haben wir solche Windrosen, und ein Kollege, Tim Michaels, hat mit einem Wettermodell für den Mars berechnet, welcher Wind an diesen Stellen im Frühling wehen sollte. Das Ergebnis, veröffentlicht 2022 von Ganna Portyankina: Die Richtungen stimmen in fast allen Gebieten gut überein. Das Wettermodell wird von unseren Fächern bestätigt, und umgekehrt sagt uns das Modell, zu welcher Tageszeit die Geysire ausbrechen müssen: am frühen Nachmittag, wenn der Hangwind von den Polhöhen herunterweht.

Das ist ein Ergebnis, das ohne die Freiwilligen schlicht nicht existieren würde. Keine Forschergruppe hätte hunderttausende Fächer von Hand vermessen.

Wie viel vom Eis wird dunkel?

≈ 5 %

des Eises sind im Mittel mit dunklem Staub bedeckt
statt der seit 20 Jahren zitierten 30 %
gemessen in 64 494 Kacheln aus sechs Marsjahren

Jede Kurve ein Marsjahr: die Verteilung wiederholt sich fast deckungsgleich.

Planet Four, Katalog v3.1 (Aye et al., eingereicht)

Die zweite Frage, die wir mit dem Katalog beantworten konnten, klingt einfach: Wie viel von dem Eis wird im Frühling eigentlich dunkel? Die Frage ist wichtiger, als sie klingt. Dunkler Staub auf hellem Eis schluckt Sonnenlicht und lässt das Eis schneller verschwinden. Wer das Klima des Mars berechnen will, wer wissen will, wie schnell die Polkappe jedes Jahr abtaut, der muss diese Zahl kennen.

Seit etwa zwanzig Jahren stand in der Fachliteratur eine Zahl: dreißig Prozent. Sie stammte aus Kieffers Arbeit von 2006, und dort war sie eine Annahme für ein einziges Gebiet, nicht eine Messung. Aber sie wurde zitiert und weiterzitiert, bis sie wie eine gemessene Tatsache aussah. So etwas passiert in der Wissenschaft öfter, als man denkt.

Mit dem Katalog konnten wir sie zum ersten Mal wirklich messen, über die ganze Polregion und über sechs Marsjahre. Wir nehmen für jede Kachel alle Fächer und Flecken, legen ihre Flächen übereinander und teilen durch die Fläche der Kachel. Das Ergebnis: Im Mittel sind etwa fünf Prozent des Eises bedeckt. Nicht dreißig. An einem typischen Ort zu einer typischen Zeit ist das Eis zu 95 Prozent sauber.

Es gibt Ausnahmen. In Ithaca, dem aktivsten Gebiet, das wir kennen, sind es fünfzehn bis zwanzig Prozent, in anderen Gebieten nur ein oder zwei. Und über den Frühling steigt der Wert an, mit einem Maximum etwa drei Wochen nach Frühlingsanfang, bevor das Eis dann ganz verschwindet. Die dreißig Prozent erreichen nur die aktivsten fünf Prozent aller Kacheln. Als Zahl für die ganze Polkappe war sie etwa sechsmal zu hoch.

Das Diagramm zeigt die Verteilung für jedes einzelne Marsjahr übereinandergelegt. Was mich daran am meisten freut, ist, dass die Kurven fast deckungsgleich sind. Der Frühling am Südpol läuft jedes Jahr fast gleich ab, trotz globaler Staubstürme, die den Mars in manchen Jahren einhüllen. Das System ist erstaunlich stabil.

Und das ist für die Klimamodelle eine gute Nachricht: Statt eines geschätzten Werts haben sie jetzt eine Verteilung, gemessen aus zehntausenden Kacheln, und die können sie direkt einsetzen. Die Arbeit dazu ist gerade in der Begutachtung.

Offene Fragen

Noch nie wurde ein Geysir beim Ausbruch beobachtet.

Sollte man das ändern? → Bilder des Jahrzehnts.

Illustration: Ron Miller / NASA

Zum Schluss möchte ich Ihnen sagen, was wir noch nicht wissen, denn das ist der spannendere Teil.

Erstens: Noch nie wurde einer dieser Geysire beim Ausbruch beobachtet, von keiner Sonde und keinem Teleskop. Wir kennen den Prozess aus seinen Spuren, aus dem Labor und aus Modellen, aber das entscheidende Bild fehlt. Ich habe im letzten Jahr das ganze HiRISE-Archiv durchsucht und sechs Bildpaare gefunden, die dieselbe Stelle im Abstand von nur zwei Stunden zeigen, einem Umlauf der Sonde. Wenn in diesen zwei Stunden ein Geysir ausgebrochen ist, sollte man einen neuen Fleck sehen. Die Auswertung läuft. Und mit Mars Express, der europäischen Sonde, könnte man gezielt gegen die Sonne schauen, wo die Staubwolke am hellsten wäre. Das ist ein Vorschlag, den wir gerade vorbereiten.

Zweitens: Wie stark sind die Geysire wirklich? Wie hoch, wie schnell, wie viel Material? Dafür bauen wir zurzeit ein Modell, das vom Sonnenlicht durch das Eis bis zum Strahl aus dem Schlot alles durchrechnet, und wir vergleichen die berechneten Fächerlängen mit dem Katalog.

Offene Fragen

Noch nie wurde ein Geysir beim Ausbruch beobachtet.

Sollte man das ändern? → Bilder des Jahrzehnts.

Illustration: Ron Miller / NASA · Lander: Skizze

Sollte man das ändern? Ich finde ja. Stellen Sie sich eine kleine Landesonde vor, die im Winter in einem dieser Gebiete aufsetzt, sich vom Eis zudecken lässt und wartet. Wenn im Frühling die Sonne zurückkommt, steht sie mitten im Geysirfeld, und ihre Kamera sieht, was bisher niemand gesehen hat: wie das Eis aufreißt, wie der Strahl aus dem Boden schießt, wie der Staub im Wind davonzieht. Das wären die Bilder des Jahrzehnts.

Technisch ist das nicht einfach. Die Sonde müsste eine Polarnacht von fast einem Erdenjahr bei minus 125 Grad überstehen, ohne Sonnenlicht für ihre Solarzellen, und sie müsste genau dort landen, wo die Geysire ausbrechen. Aber keine dieser Hürden ist unüberwindbar, und die Orte kennen wir inzwischen genau. Das ist der Ertrag von Planet Four: Wir wissen, wohin man schauen muss.

Vom Farbstreifen zum ganzen Bild

Ein HiRISE-Bild (PSP_003092_0985). Nur der gelbe Streifen in der Mitte ist in Farbe aufgenommen, der Rest im roten Kanal. Bisher katalogisiert: nur der Streifen.

Planet Four hat bisher nur den Farbstreifen ausgewertet: ein Fünftel jedes Bildes
Die 690 000 Markierungen der Freiwilligen sind Trainingsdaten für eine KI
Die KI findet die Fächer im ganzen roten Kanal: fünffache Fläche, dieselben Bilder

5× mehr Fläche, derselbe Katalog als Lehrer

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

Die dritte offene Frage ist eine, an der wir gerade arbeiten, und dafür brauche ich noch einmal ein HiRISE-Bild. Sie sehen hier ein ganzes Bild, einige Kilometer breit. Der gelb eingefärbte Streifen in der Mitte ist der einzige Teil, den die Kamera in Farbe aufnimmt. Alles andere ist nur im roten Kanal fotografiert, deshalb grau. Der Farbstreifen ist etwa ein Fünftel der Bildbreite.

Unser Katalog, die siebenhunderttausend Markierungen der Freiwilligen, deckt bisher nur diesen Farbstreifen ab. Das war eine Entscheidung aus den Anfangsjahren von Planet Four, weil Fächer und Flecken in Farbe leichter zu erkennen sind. Der Preis ist, dass vier Fünftel jedes Bildes bisher ungenutzt sind, mit all den Geysiren, die darin sichtbar sind.

Jetzt drehen wir den Spieß um. Die Markierungen der Freiwilligen sind genau das, was eine künstliche Intelligenz zum Lernen braucht: hunderttausende Beispiele, wie ein Fächer aussieht und wie ein Fleck. Wir trainieren damit ein Modell, das die Fächer selbst findet, und lassen es dann über den ganzen roten Kanal laufen. Das ergibt die fünffache Fläche, bei denselben Bildern, denselben Marsjahren, denselben Orten. Mehr Geysire, mehr Windmessungen, bessere Statistik.

Die Freiwilligen werden dadurch nicht überflüssig. Die KI kann nur, was sie ihr beigebracht haben, und jede neue Art von Fächer, die ihr entgeht, muss wieder ein Mensch zuerst sehen.

Offene Frage: Was macht die scharfen Grenzen?

Hunderte Fächer, und daneben: nichts. Kein Hügel, kein Hang erklärt die Grenze.

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona (ESP_012845_0950, 84,8° S, Ausschnitt ca. 4,3 km breit)

Eine letzte offene Frage, und die ist mir besonders lieb, weil sie so einfach zu sehen ist. Dieses Bild stammt aus demselben Frühling wie die Windrosen, aufgenommen bei 85 Grad Süd, der Ausschnitt ist gut vier Kilometer breit. Rechts ein dichtes Feld aus hunderten Fächern, jeder einzelne ein Geysir. Und dann, an einer scharfen Linie, hört es auf. Links davon: glattes Eis, kilometerweit, ohne einen einzigen Fleck.

Das Erstaunliche ist, was man hier nicht sieht. Keinen Hügel, keinen Hang, keine Kante im Gelände. Nach allem, was wir über die Neigung und die Sonne gesagt haben, müsste man an so einer Grenze einen Höhenunterschied erwarten. Es gibt keinen. Die Eisdecke sieht auf beiden Seiten gleich aus, der Boden darunter müsste nach unseren Karten derselbe sein. Trotzdem brechen auf der einen Seite hunderte Geysire aus, und auf der anderen nicht ein einziger.

Wir haben Vermutungen. Vielleicht ist das Eis auf der einen Seite anders gewachsen, klarer oder körniger, und lässt mehr Licht bis zum Boden. Vielleicht ist der Boden darunter nicht gleich: lockerer Sand, der sich mitreißen lässt, auf der einen Seite, fester Grund auf der anderen. Vielleicht hat der Wind im Herbst eine dünne Staubschicht nur auf einen Teil der Fläche gelegt, bevor das Eis darüber wuchs. Jede dieser Erklärungen passt zu manchen Bildern, keine zu allen.

Die Antwort steckt vermutlich darin, solche Grenzen über viele Jahre und an vielen Orten zu vergleichen: Liegen sie jedes Jahr an derselben Stelle? Wandern sie? Genau dafür brauchen wir die Karte aller Fächer, über die ganze Breite der Bilder, und genau dafür ist die Arbeit mit der KI gedacht, von der ich gerade erzählt habe.

Eine Einladung

Planet Four läuft weiter: jeder Frühling bringt neue Bilder.

Sie brauchen keine Vorkenntnisse, nur einen Browser. Machen Sie mit:

planetfour.org

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona (Ithaca)

Zusatz: Das Rätsel der kryptischen Region

Dieselbe Stelle in Falschfarben: Eis und Staub, kaum zu trennen.

So kalt wie Trockeneis, aber so dunkel wie Fels

Helligkeit der Südpolkappe im Frühling (blau = dunkel). Weiße Linie: Eisrand.

HiRISE: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona · Karte: Planet Four

Zusatzfolie, falls jemand nach dem Ursprung von Kieffers Idee fragt. Ende der 1990er Jahre umkreiste die Sonde Mars Global Surveyor den Planeten. An Bord war ein Instrument, das die Temperatur der Oberfläche messen konnte, und eine Kamera, die die Helligkeit maß. Hugh Kieffer und seine Kollegen legten beides übereinander, und in der Südpolregion ergab sich ein Widerspruch.

Da gab es eine riesige Region, die so kalt war wie Trockeneis, minus 125 Grad, also eindeutig von Eis bedeckt. Aber sie war dunkel. So dunkel wie der nackte Marsboden. Eis, das dunkel ist? Das passte nicht zusammen. Die Forscher nannten diese Region “kryptisch”, vom griechischen Wort für verborgen, weil das Eis sich dort offenbar versteckte.

Die Karte hier zeigt die Südpolkappe von oben, der Pol ist in der Mitte. Die Farben zeigen, wie hell der Boden ist. Blau ist dunkel, rot ist hell. Die weiße Linie ist der Rand der Eiskappe im Frühling. Sie sehen sofort: Ein großer Teil der Kappe, vor allem die rechte Hälfte, ist dunkelblau. Das ist die kryptische Region. Dort liegt Eis, aber man sieht es nicht.

Und die Namen auf der Karte, Inca City, Ithaca, Giza, Manhattan, das sind Orte, die ich Ihnen heute noch öfter nennen werde. Das sind unsere Beobachtungsgebiete, die Stellen, an denen die Geysire besonders aktiv sind und die wir jeden Frühling wieder fotografieren. Die Namen haben Kollegen vor Jahren vergeben, weil Koordinaten sich schlecht merken lassen, und sie sind geblieben.

Kieffers Idee zur Auflösung des Rätsels war folgende. Wenn das Eis durchsichtig ist, dann sieht man von oben nicht das Eis, sondern den dunklen Boden darunter, so wie man durch das klare Eis eines Sees den Grund sieht. Das Eis ist da, es ist kalt, aber es ist unsichtbar. Das allein erklärt die dunkle Farbe.

Aber Kieffer ging einen Schritt weiter, und dieser Schritt ist das Herzstück des heutigen Abends. Wenn Sonnenlicht durch das Eis bis zum Boden kommt, dann erwärmt es nicht die Oberfläche des Eises, sondern den Boden darunter. Und das hat Folgen. Das ist genau das Treibhaus unter dem Eis von Folie acht.