Eine 1.800 Kilometer lange Marswolke deutet auf Eis hin, das ganz ohne Staub entsteht

Jeden Morgen für einige Monate des Marsjahres löst sich ein weißer Eisstreifen von bis zu 1.800 km Länge, fast doppelt so lang wie das Vereinigte Königreich, von der Flanke des Vulkans Arsia Mons. Eine neue Studie zeigt, dass der einzige Weg, sie im Computer nachzubilden, darin besteht, Wasserdampf direkt zu Eiskristallen gefrieren zu lassen, ohne ein einziges Staubkorn, das den Prozess in Gang setzt. Physiker nennen das homogene Nukleation, und bislang existierte es nur in Lehrbüchern, nicht in einem Himmel, den jemand beobachtet hatte.

Nahezu jede Wolke auf der Erde braucht einen Keim. Wasserdampf kondensiert auf einem Salzkorn, Ruß, Pollen oder Staub, und daraus wächst der Tropfen oder Eiskristall. Auf dem Mars gelten die feinen Staubpartikel, die in seiner dünnen Atmosphäre schweben, als Keime. Die Arsia Mons Elongated Cloud, die auffälligste Wolke des Planeten, scheint diesen Schritt völlig zu überspringen.

Das ist nicht nur für eine seltsame Wolke auf einem Planeten von Bedeutung. Atmosphärenwissenschaftler bauen Wetter- und Klimamodelle – auf der Erde und auf anderen Welten – auf der Annahme auf, dass Wolken auf Partikeln entstehen. Ein natürlicher Fall, in dem sie das nicht tun, bedeutet, dass diese Annahme eine Ausnahme hat, und das Team sagt, die Ausnahme könnte auch für die höchsten, kältesten Wolken auf der Erde und der Venus gelten.

„Um die AMEC in unserer Modellierung zu erzeugen, mussten wir einige exotische Physik einbeziehen … Physik, die zwar in Lehrbüchern vorkommt, aber als theoretisch gilt und von der man normalerweise annimmt, dass sie in der Natur nicht vorkommt“, sagte Jorge Hernández-Bernal vom Laboratoire de Météorologie Dynamique in Paris, der die Arbeit leitete. „Sicherlich wurde sie zuvor noch nie in Aktion beobachtet.“

Eine Wolke, die bei Sonnenaufgang entsteht und stundenlang nach Westen zieht

Arsia Mons ist ein Schildvulkan von etwa 20 km Höhe, der südlichste der drei Giganten, die auf dem Tharsis-Plateau aufgereiht sind. Die Wolke stammt nicht von einem Ausbruch. Es handelt sich um Wassereis, das sich etwa 45 km über der Oberfläche am Westhang des Vulkans bildet.

Frühere Beobachtungen derselben Gruppe haben ihren täglichen Ablauf rekonstruiert. Die Wolke beginnt sich vor der Dämmerung zu bilden, dehnt sich dann etwa zweieinhalb Stunden lang mit rund 170 Metern pro Sekunde nach Westen aus. Wenn sie aufhört zu wachsen, löst sich der lange Schweif vom Vulkan und treibt weiter, bis er am Vormittag verdunstet. Der Zyklus wiederholt sich jeden Morgen für etwa 80 Tage jedes Marsjahres, um die südliche Sommersonnenwende herum, in einer staubigen Jahreszeit, in der Wolken in diesen Breiten ansonsten rar sind.

Diese zeitliche Abstimmung ist der Grund, warum die Wolke so lange unerklärt blieb. Die meisten Marsorbiter überqueren den Planeten am Nachmittag, wenn die Wolke bereits verschwunden ist. Mars Express, der Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), und der ExoMars Trace Gas Orbiter gehören zu den wenigen Raumsonden, die die Morgenseite beobachten können.

Wie sie es gemacht haben

Das Team aus zwei Atmosphärenlaboren in der Region Paris verwendete ein hochauflösendes Wettermodel des Mars, das den Weather Research and Forecasting-Löser, einen für die Erde entwickelten Code, mit der Physik des Mars Planetary Climate Model koppelt. Anschließend verglichen sie dessen Ergebnisse mit Bildern von drei Instrumenten an Bord von Mars Express: der Visual Monitoring Camera, der High Resolution Stereo Camera und dem OMEGA-Spektrometer.

Mit standardmäßiger Wolkenphysik, bei der Eis nur auf Staub entstehen kann, scheiterte das Modell. Es erzeugte die richtigen Winde, aber nicht den langen, scharfen Schweif. Das fehlende Stück war eine starke Bergwelle. Wenn Wind über den Arsia Mons strömt, hebt die Masse des Vulkans feuchte Luftpakete innerhalb weniger Minuten um mehrere Kilometer an. Laut ESA kühlt die Luft dabei in zehn Minuten um etwa 30 Grad ab, und die relative Luftfeuchtigkeit steigt auf Werte, die mehr als 100.000 Mal höher sind als im Alltag auf der Erde.

An diesem Punkt enthält die Luft so viel überschüssigen Dampf, dass sie von selbst gefriert. Sobald die Forscher die homogene Eiskeimbildung in das Modell einfügten, erschien die Wolke dort, wo sie auf dem Mars vorkommt, wuchs einen Schweif, verjüngte sich, bevor sie sich löste, und löste sich später am Morgen ab – ganz ähnlich der echten. In der Vorab-Version des Artikels berechnete das Team, dass auf diese Weise Hunderte von Eispartikeln pro Kubikzentimeter in der kältesten Lufttasche entstehen. Das reicht aus, um den überschüssigen Wasserdampf aufzusaugen, sodass der Schweif stabil bleibt, während der Wind ihn nach Westen trägt.

Warum Erdenwolken das nicht tun

Die Physik ist nicht neu. Neu ist, sie in Aktion zu sehen. Wasserdampf benötigt eine extreme Übersättigung, um ohne Hilfe zu gefrieren, und auf der Erde findet die Luft, die diesen Punkt erreicht, fast immer zuerst ein Partikel. Selbst in der Mesosphäre, wo die höchsten Wolken der Erde in der Dämmerung leuchten, wurde homogene Nukleation nur als theoretische Möglichkeit diskutiert. Gleiches gilt für die obere Atmosphäre der Venus.

Der Mars bietet an einem Ort die richtige Mischung. Die Atmosphäre ist dünn und trägt in dieser Höhe relativ wenige Staubpartikel, während der Arsia Mons hoch genug ist, um einen heftigen, schnellen Aufwind zu erzwingen. „Wasserdampf verwandelt sich direkt in eisige Wolkenpartikel, ohne jeden Zwischenschritt“, sagte Hernández-Bernal. „Es ist vergleichbar mit Kondensationstropfen, die mitten in einem Raum erscheinen, statt an einem Fenster.“

Colin Wilson, ESA-Projektwissenschaftler für Mars Express, sagte, die Sonde habe „die AMEC entdeckt, sie über Jahre hinweg verfolgt und überwacht und hilft nun dabei, die Geheimnisse ihrer Entstehung zu lüften.“

Was sie nicht klärt

Der Beleg ist ein Modell, das mit den Bildern übereinstimmt, keine Messung von sich bildenden Eiskristallen. Kein Instrument hat die Wolke beprobt, und keines könnte dies in 45 km Höhe über dem Arsia Mons tun. Die eigene Wortwahl der Autoren spiegelt das wider: Der Titel des Artikels besagt, dass homogene Nukleation durch die Wolken „nahegelegt“ wird, und die Zusammenfassung sagt, das Ergebnis „lege stark nahe“, dass es auf dem Mars geschieht.

Die Übereinstimmung ist auch nicht perfekt. Hernández-Bernal räumt ein, dass einige Aspekte der modellierten Wolke nicht exakt mit den Beobachtungen übereinstimmen. In der vor der Begutachtung veröffentlichten Version des Artikels war die simulierte Wolke 30 bis 50 Prozent schmaler als die echte, begann etwa anderthalb Stunden zu spät und erreichte nur etwa ein Viertel ihrer beobachteten Länge, bevor sie sich ablöste. Der endgültige, begutachtete Text ist noch nicht frei verfügbar, und die Autoren sagen, er enthalte weitere Analysen.

Die stärkste Alternative ist eine Population sehr feinen Staubs, Partikel kleiner als 100 Nanometer. Niemand hat gemessen, wie viel davon in dieser Jahreszeit über dem Arsia Mons schwebt. Das Team testete es und stellte fest, dass dieser feinere Staub breite, diffuse Dunstschleier erzeugt, statt des scharfen, hellen Schweifs, den die hochauflösende Kamera von Mars Express sieht. Ohne direkte Daten ist diese Alternative jedoch abgeschwächt, nicht ausgeschlossen.

Häufige Fragen zur Arsia-Mons-Wolke

Was ist die Arsia Mons Elongated Cloud?

Es handelt sich um eine Wassereiswolke, die sich jeden Morgen an der Westseite des Arsia Mons bildet, einem 20 km hohen Vulkan auf dem Mars. Sie kann sich bis zu 1.800 km erstrecken und wiederholt sich täglich für etwa 80 Tage jedes Marsjahres, um die südliche Sommersonnenwende herum.

Handelt es sich bei der langen Wolke auf dem Mars um einen Vulkanausbruch?

Nein. Als Bilder davon weite Verbreitung fanden, hielten viele sie für eine Eruptionswolke, aber der Arsia Mons ist nicht ausgebrochen. Die Wolke besteht aus Wassereis, geformt durch Winde, die über den Vulkan strömen.

Was ist homogene Nukleation?

Es ist die Bildung von Eis oder Tröpfchen direkt aus Dampf, ohne ein Staubkorn oder anderes Partikel, auf dem sie beginnen kann. Sie benötigt extreme Übersättigung, daher ist sie in realer Luft selten möglich. Diese Studie ist der erste starke Beleg dafür, dass sie in einer Planetenatmosphäre vorkommt.

Bilden sich Wolken auf der Erde auf diese Weise?

Fast alle entstehen auf Partikeln wie Staub, Salz oder Ruß. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass einige der höchsten Wolken in der Mesosphäre der Erde möglicherweise ohne sie entstehen, aber niemand hat es beobachtet. Das Mars-Ergebnis gibt den Forschern einen Grund, noch einmal genauer hinzusehen.

Was als Nächstes kommt

Die Studie erschien am 7. Oktober 2026 in Nature Geoscience. Die Wolke kehrt jedes Marsjahr während des südlichen Frühlings und Sommers zurück, und Mars Express und der ExoMars Trace Gas Orbiter gehören weiterhin zu den wenigen Raumsonden, die sie im Morgengrauen beobachten können. Das Team sagt, seine nächste Arbeit werde testen, ob homogene Nukleation einzigartig für den Arsia Mons ist oder auch in anderen Mars-Wolken vorkommt und ob sie eine Rolle im globalen Wasserkreislauf des Planeten spielt.

Referenz: Hernández-Bernal et al., „Homogeneous ice nucleation from water vapour suggested by elongated clouds on Mars“, Nature Geoscience, 2026. DOI: 10.1038/s41561-026-02089-9

Schlagwörter: Astronomie, Mars, esa, Arsia Mons, Mars Express, Planetenatmosphären