Marswolke über Arsia Mons deutet auf homogene Eiskeimbildung hin

Berlin, 13. Oktober 2026. Während an der FU Berlin der Herbst längst in den Fenstern hängt, wächst auf dem Mars jedes Jahr eine Wolke, die mit Wetter nach irdischen Maßstäben nur schwer zu fassen ist. Die Arsia Mons Elongated Cloud, kurz AMEC, erscheint seit 2018 in jedem Frühling und Sommer der Südhalbkugel – und zwar während der staubigen Jahreszeit.

Ihre weiße Fahne bildet sich an der windabgewandten Seite von Arsia Mons, einem etwa 20 Kilometer hohen Vulkan. Innerhalb weniger Stunden kann sie bis zu 1800 Kilometer lang werden. Dann ist sie wieder weg, fast so schnell, wie sie gekommen ist. Die Europäische Weltraumorganisation ESA verfolgt das Schauspiel mit der Sonde Mars Express, die Veränderungen innerhalb weniger Stunden sichtbar machen kann.

Eine Wolke, die Meteorologen ins Schwitzen bringt

Eigentlich gilt die AMEC als orografische Wolke: Luft wird am Berg angehoben, kühlt ab, Wasserdampf kondensiert. Nur ging diese Rechnung bisher nicht ganz auf. Die herkömmliche Meteorologie konnte die Entstehung der langgestreckten Wolke nicht vollständig erklären.

Ein Team um Jorge Hernández-Bernal vom französischen Laboratoire de Météorologie Dynamique verglich deshalb Beobachtungen mit Simulationen. Das Ergebnis: Die Modelle erzeugten die AMEC nur dann, wenn ein physikalischer Prozess berücksichtigt wurde, der bislang kaum in die Berechnungen eingeflossen war.

Auf der Erde und vermutlich auch auf dem Mars entstehen Eiskristalle normalerweise durch heterogene Keimbildung. Wasserdampf lagert sich dabei an Staub, Salz oder andere Partikel an. Für die Marswolke soll jedoch homogene Eisnukleation verantwortlich sein: Wasserdampf gefriert direkt zu Eiskristallen, ohne vorherige Fremdpartikel.

Das klingt schlicht, ist atmosphärisch aber ein ziemlicher Kraftakt. Dafür braucht es eine außergewöhnlich hohe relative Luftfeuchtigkeit beziehungsweise eine starke Übersättigung des Wasserdampfs. Bisher wurde homogene Eiskeimbildung direkt aus Wasserdampf nur theoretisch für mesospherische Wolken auf der Erde und der Venus untersucht; in der Natur war sie bislang nicht beobachtet worden.

Über Arsia Mons erzeugen Luftströmungen atmosphärische Wellen. Sie schieben feuchte Luft innerhalb weniger Minuten mehrere Kilometer nach oben. Laut den Simulationen sinkt die Temperatur dabei in etwa zehn Minuten um rund 30 Grad Celsius. Die Luft kühlt so stark ab, dass der Wasserdampf direkt gefriert. Die langgezogene AMEC wäre damit kein kurioser Sonderfall der Wolkenmikrophysik, sondern womöglich ein sichtbares Beispiel für einen realen Prozess.

Was die Modelle tatsächlich zeigen

Für die Berechnungen nutzte das Forschungsteam Daten von drei Kameras an Bord von Mars Express. Die Untersuchung basierte außerdem ausschließlich auf offenen Daten: auf Mars-Express-Messungen aus dem ESA Planetary Science Archive sowie auf Daten der indischen Mars Orbiter Mission und der Emirates Mars Mission.

Zum Einsatz kamen globale und mesoskalige Mars-Atmosphärenmodelle sowie ein null-dimensionales Mikrophysikmodell. Zusätzlich entwickelte das Team Code und machte ihn offen zugänglich. Einzelne Simulationsergebnisse weichen noch von den Beobachtungen ab, doch die Übereinstimmung bewertet die Gruppe als bemerkenswert. Vor allem ließ sich die wiederkehrende Wassereiswolke über Arsia Mons mit ihrer ungewöhnlich großen, langgezogenen Form reproduzieren – etwas, das mit herkömmlicher Wolkenmikrophysik bisher nur schwer gelang.

Eine Simulation erzeugte durch homogene Nukleation ungefähr 200 Eisteilchen pro Kubikzentimeter. Ihr effektiver Radius lag bei etwa 0,25 Mikrometern; daraus ergab sich eine optische Dicke von ungefähr 0,36. Veränderten die Forschenden Oberflächenenergie oder Wasserdampfdruck, wurde die modellierte Wolke heller, breiter und teilweise länger. Auch heterogene Kontaktparameter, Partikelgröße und Partikelanzahl flossen in Zusatzsimulationen ein.

Die Übereinstimmung von Modell und Beobachtungen spricht laut Studie deutlich dafür, dass homogene Eiskeimbildung aus Wasserdampf auf dem Mars tatsächlich stattfindet. Damit gerät die Annahme ins Wanken, Wolkenbildung brauche bei bestimmten Wolken auf der Erde und möglicherweise auf anderen Planeten grundsätzlich vorhandene Partikel als Keime. Die Arbeit wurde durch CNES, den Europäischen Forschungsrat im Rahmen von Horizon 2020 sowie französische Forschungs- und Recheninfrastrukturen unterstützt.

Veröffentlicht wurde die Studie am 7. Oktober 2026 in Nature Geoscience. Der Titel lautet „Homogeneous ice nucleation from water vapour suggested by elongated clouds on Mars“. Als Autorenteam werden J. Hernández-Bernal, A. Määttänen, A. Spiga und F. Forget genannt.

Wetter in einer hauchdünnen Hülle

Der Mars macht es der Wolkenforschung nicht gerade gemütlich. Seine Atmosphäre besitzt eine Gesamtmasse von etwa 2,5 · 10¹⁶ Kilogramm und eine Dichte von rund 1,2 Prozent der Erdatmosphäre. Der mittlere Druck liegt bei etwa 6 hPa; am mittleren Marsradius sind es 6,36 hPa, jahreszeitlich schwankt der Wert zwischen 4,0 und 8,7 hPa. Das entspricht nur etwa 0,6 Prozent des mittleren Erddrucks von 1013 hPa – ungefähr dem Druck in 32 Kilometern Höhe über der Erde.

In tief gelegenen Regionen, vor allem auf der Nordhalbkugel und in Hellas Planitia, kann flüssiges Wasser bei hohen Temperaturen kurzzeitig existieren. In Hellas Planitia steigt der Druck auf maximal etwa 12 hPa, bleibt damit aber weit unter der Armstrong-Grenze von 63 hPa. Ein Mensch könnte dort ohne Druckanzug oder Druckkabine nicht überleben. Kein gemütlicher Spaziergang, eher ein sehr kurzer physikalischer Einwand.

Die Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid, dazu kommen unter anderem Argon, Stickstoff und Sauerstoff. Kohlenstoffdioxid macht etwa 95,9 Prozent aus. Im Winter der jeweiligen Hemisphäre liegen die Pole vollständig im Dunkeln; bis zu 25 Prozent des atmosphärischen CO₂ können dort zu Trockeneis gefrieren. Im Sommer sublimiert es wieder und gelangt zurück in die Atmosphäre. Argon bleibt gasförmig, sein absoluter Anteil verändert sich durch dieses saisonale Gefrieren daher nicht.

Der Mars besitzt im Vergleich zu anderen Atmosphären des Sonnensystems einen hohen Argonanteil. Der Wassergehalt schwankt stark mit den Jahreszeiten. Beim Sublimieren von CO₂ werden Wassereisvorkommen an der Oberfläche freigelegt, Stürme wirbeln Wassereis auf und transportieren es nach oben. Dort können Cirruswolken aus Wassereis entstehen. Der NASA-Rover Opportunity wies solche Wolken 2004 erstmals nach.

Der größte Teil des Marswetters spielt sich in der Troposphäre zwischen 0 und 40 Kilometern Höhe ab. Dort finden atmosphärische Konvektion und Staubstürme statt. Die tägliche Erwärmung der Oberfläche und der Staubgehalt bestimmen die Wetterdynamik. Wegen der geringeren Schwerkraft beträgt die atmosphärische Skalenhöhe 11,4 Kilometer, auf der Erde sind es 8,4 Kilometer.

Der theoretische trockenadiabatische Temperaturgradient liegt bei 4,3 K/km. Weil Staubpartikel Sonnenstrahlung absorbieren und die Luft erwärmen, beträgt der durchschnittliche Temperaturgradient etwa 2,5 K/km. Die planetare Grenzschicht reicht tagsüber bis ungefähr 10 Kilometer Höhe, auf der Erde dagegen bis rund 2 Kilometer. Nahe der Oberfläche können die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht wegen der geringen thermischen Trägheit bis zu 60 Grad Celsius betragen. Bei stark staubhaltiger Luft schrumpft dieser Unterschied auf etwa 5 Grad Celsius.

Oberhalb von 15 Kilometern wird die Temperatur hauptsächlich durch Sonneneinstrahlung bestimmt; Konvektion spielt dort kaum noch eine Rolle. Die Mesosphäre reicht von 40 bis 100 Kilometern und ist die kälteste Atmosphärenschicht. Kohlendioxid strahlt Wärme in den Weltraum ab, in der Mesopause wurden Temperaturen von −150 bis −170 Grad Celsius gemessen. Unter diesen Bedingungen können sich Wolken aus Kohlendioxideis bilden. Bis etwa 100 Kilometer reicht jene Atmosphäre, die für von der Oberfläche startende Raumfahrzeuge aerodynamisch relevant ist.

Darüber liegt die Thermosphäre von 100 bis 230 Kilometern. Ultraviolette Sonnenstrahlung heizt sie stark auf, die Temperatur steigt mit