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Dieser Einschlags-Krater besitzt einen Durchmesser von ungefähr 45 Kilometern und ist bis zu 2 Kilometer tief. Am nordöstlichen Bereich des Kraterbodens ist ein Dünenfeld zu erkennen, das aus dunklem, wahrscheinlich basaltischem Sand besteht. Wenn erdähnliche Prozesse angenommen werden können, weist die sichelartige Form des Dünenkörpers auf eine östliche Windströmung hin
Alle Abbildungen: esa/DLR/FU Berlin (G. Neukum)

Das neue Bild des Planeten Mars

Erfasst mit der hochauflösenden Stereokamera HRSC


von Gerhard Neukum

Seit der Mars-Expedition im Dezember letzten Jahres ist der Rote Planet in die Schlagzeilen gekommen. Dank der von Prof. Dr. Gerhard Neukum entwickelten High Resolution Stereo Camera (HRSC) ist es erstmals möglich, die Oberfläche wesentlich genauer zu untersuchen und Bilder aus verschiedenen Blickwinkeln in einer sehr hohen Auflösung, in 3D und Farbe zu liefern. Die ersten Ergebnisse überraschten sogar die Marsexperten: Bis vor 3,5 Milliarden Jahren regnete und schneite es noch auf dem Roten Planeten. Gleichzeitig entstanden mehr Gletscher als bislang erwartet. Auch ist es möglich, dass der Mars nach wie vor vulkanisch aktiv ist. Vor allem aber erkennt man eine Landschaft, die einmal hauptsächlich von der Erosionskraft des Wassers und des Eises geprägt wurde, bevor sich der Mars zu einem Wüstenplaneten entwickelte.

Über die Milliarden Jahre seiner Geschichte hat sich der Mars offensichtlich von einem wasserreichen Planeten zu einem Wüstenplaneten entwickelt. Riesige, jetzt trocken gefallene Flusstäler haben sich anfangs gebildet. Es gab Niederschlag von Schnee und Regen, stehende Gewässer bildeten sich. Später müssen heftige Winde über sehr lange Zeiten beständig in gewissen Vorzugsrichtungen geweht und die Oberflächenmaterialien abgetragen und umverteilt haben. Zu diesen ersten Ergebnissen kommt der Autor und sein Team bei den ersten Auswertungen der spektakulären Marsbilder, die bisher dank der High Resolution Stereo Camera (HRSC) bei der Mars Express Mission der European Space Agency (ESA) angefertigt wurden. Der Einschuss der Mission in den Mars-Orbit erfolgte am 25. Dezember vergangenen Jahres. Das Raumschiff befand sich bis Juli 2004 in der so genannten „Commissioning-Phase“, in der über eine Reihe von Tests die Bordsysteme und die Experimente auf die eigentliche Aufgabe vorbereitet wurden. Die wissenschaftliche Datennahme begann in eingeschränkter Form schon ab Januar 2004 und erfolgt seit August 2004 in vollem Umfang. Bislang befindet sich die Mission und die wissenschaftliche Auswertung der HRSC-Bilddaten erst am Anfang. Doch schon die ersten Ergebnisse sind spektakulär.


Die Aufnahme aus dem Orbit 486 zeigt einen Ausschnitt
des Gebietes Claritas Fossae, das sowohl von tektonischen
Gräben als auch von möglicherweise durch Abflussprozesse
geformten Rinnen durchzogen wird.


Für die Mars-Expedition hat unser Team an der Entwicklung einer hoch spezialisierten Kamera mitgewirkt. Die Kamera ist so angelegt, dass über die Missionsdauer von über einem Marsjahr die Oberfläche des Mars (fast gleich groß wie die Landoberfläche der Erde) in hoher Auflösung (10 bis 20 Metern pro Bildpunkt), in Stereo und in Farbe zu 100 Prozent abgedeckt werden soll. Zusätzlich wird der Super Resolution Channel (SRC), eine Art Lupe in der Mitte des eigentlichen HRSC-Streifens, Schwarz-Weiß-Daten von bis zu 2,5 Metern/Pixel von einigen Prozent der Oberfläche liefern, mit denen Objekte in der Größe von zwei bis drei Metern erkannt werden können. Dieser Datensatz ist der erste seiner Art und dient dazu, die Oberfläche des Mars in seiner morphologischen und topographischen Ausprägung mit einer Genauigkeit von 15 bis 30 Metern vertikal und von 10 bis 20 Metern lateral zu messen. Solch eine topographische Kartierung gibt es bisher nicht einmal für die Erde.

Sollte das Erreichen einer hundertprozentigen Kartierung des Mars innerhalb der nominalen Mission nicht möglich sein, beispielsweise wegen schlechten Wetters auf dem Mars, so stehen noch mindestens zwei weitere Jahre für die bereits jetzt vorgesehene erweiterte Mission zur Verfügung.

Die HRSC wird, zum ersten Mal in der Geschichte der Erforschung des Mars, durch Raumsonden Farbdaten in hoher räumlicher Auflösung und globaler Abdeckung liefern. Dadurch ist die Unterscheidung von chemisch beziehungsweise mineralogisch verschieden zusammengesetzten Oberflächenmaterialien möglich. Neben der Farbinformation in den Filtern Blau, Grün und Rot spielt vor allem der Infrarot-Filter eine besondere Rolle, da er den Nachweis von Pyroxen, einem gesteinsbildenden Mineral, das ein Hauptbestandteil in vulkanischem Gestein ist, ermöglicht.

Erste Daten zeigen bereits verblüffende Ergebnisse: So kamen große Mengen an wahrscheinlich vulkanischer Asche in oberflächennahen Schichten und als basaltische Sande in Dünenfeldern auf dem Mars vor. Der Datensatz, der im Laufe des HRSC-Experiments produziert werden wird, ist nicht nur einzigartig in seiner Qualität, sondern mit mehr als zwei Terabyte (2000 Gigabyte) auch vom Datenvolumen her immens. Bereits jetzt, nach gut 600 Orbits, sind rund 20 Millionen Quadratkilometer Fläche in einer Auflösung von zehn bis 50 Metern (rund 70 Prozent in 10 bis 20 Metern Auflösung) abgedeckt. Dies entspricht einer Fläche, die größer ist als die Russlands. Diese Menge an Daten kann nur dadurch erzeugt, zwischengespeichert und zur Erde gesandt werden, wenn man sie im Halbleiterspeicher des Raumschiffs (bis vier Gigabyte) auf ein Fünftel bis ein Zehntel ihres Datenvolumens in Echtzeit komprimiert. Von dort werden die Daten mit Hilfe der Bordantenne in Raten von einigen zehn Kilobit pro Sekunde bis maximal 200 Kilobit pro Sekunde (je nach Distanz Mars – Erde) zur Erde gesandt und von 30 beziehungsweise 40 Meter großen Antennen der ESA und NASA empfangen. Über das Europäische Kontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt gelangen die Daten nach Berlin und laufen zunächst beim Kooperationspartner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Planetenforschung, in Adlershof auf. Da erfolgt die Dekompression und Vorprozessierung der Bilddaten, die dann an mein Team zur endgültigen Überprüfung, Bewertung und Weiterleitung an das internationale Co-Investigatoren-Team sowie zur wissenschaftlichen Weiterverarbeitung und Auswertung übertragen und in den Rechnern der Mars-Projekt-Gruppe gespeichert werden. Die Weiterverarbeitung zur wissenschaftlichen Auswertung an der Freien Universität geschieht mit Hilfe einer so genannten „Computer-Farm“ von mehr als 30 Rechnern auf Linux-Basis und mittels einzelner, speziell ausgestatteter Workstations unter Nutzung von großen (15 Terabyte) Speichereinheiten auf RAID-Basis. Das Team der Freien Universität und die internationale Gruppe von Co-Investigatoren – 45 Wissenschaftler mit Mitarbeitern aus 30 Instituten und zehn Ländern – haben nach dem Erhalt der einzelnen Bilddaten zunächst ein geschütztes primäres Recht zur Datenauswertung für einen Zeitraum von sechs Monaten. Nach dieser so genannten „Proprietary Period“ werden die Bilddaten über die Archive der ESA und NASA der internationalen Wissenschaftlergemeinde und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht (meine Co-Investigatoren und ich als Principal Investigator haben die Verpflichtung übernommen, die Daten der ESA und NASA in aufbereiteter Form für die Datenablage in ihren Archiven alle sechs Monate zu übergeben und im Missionsverlauf die ESA aktiv in ihrer PR-Arbeit zu unterstützen).


Südlich des großen Mars Canyons Vallis Marineris liegt das hier
gezeigte Uzboi Vallis, mit einer nordöstlichen Abflussrichtung.
In dieser 3D Ansicht ist Norden links. Das Uzboi Vallis ist eine
Verbindung zwischen einer großen Vertiefung der Mars-Südhemisphäre,
Argyre Planitia, und der Tiefebene der Mars-Nordhemisphäre


Für die ESA-Website produziert und kommentiert das Team in Lankwitz wissenschaftlich regelmäßig die ausgewählten Bilddaten (zu sehen unter: http://www.esa.int/ SPECIALS/Mars_Express/index.html). Die Öffentlichkeit findet Bilder vom Roten Planeten auf den Websites der Freien Universität (http://www.fu-berlin.de/planeten/de/) sowie des DLR (http://bilddb.rb.kp.dlr.de/deutsch/rubrik.asp?qryRubrik=2).

Mit Hilfe der HRSC-Datenauswertung hofft unser Team, möglichst umfassend die geologische Entwicklung des Planten Mars nachvollziehen zu können. Dabei werden die Oberflächenstrukturen in Raum und Zeit mit Blick auf ihre Entstehung untersucht. Außerdem wollen wir herausfinden, welche Oberflächenprozesse abgelaufen sind und um welche Gesteine es sich handelt. Besonderes Gewicht legt unsere Forschungsgruppe auf die Erfassung der zeitstratigraphischen Verhältnisse, das heißt: Wann sind die heute sichtbaren Oberflächenstrukturen entstanden, wann und durch welche Prozesse sind sie modifiziert worden und welche genetischen Bezüge gibt es zwischen den verschiedenen Strukturen und Prozessen, zum Beispiel zwischen dem Marsvulkanismus und den fluvial oder glazial bedingten Formen auf der Oberfläche?

Eine wesentliche Rolle in den Lankwitzer Arbeiten spielt die Datierung von Oberflächeneinheiten aus Bilddaten durch Messung der Zahl überlagerter Einschlagskrater. Diese Methode wurde von mir für den Mars entwickelt. Sie orientierte sich an den durch die Apollo-Missionen für den Erd-Mond gewonnenen Ergebnissen und ist die bisher einzige und grundlegende Methode für die Gewinnung von Altersdaten für die Marsoberfläche – mit Ausnahme der radiometrisch bestimmten Alter von einigen wenigen Marsmeteoriten, die in der Antarktis gefunden worden sind.

Ein wesentlicher Aspekt in der Evolution des Planeten Mars ist das Vorkommen von Wasser in flüssiger und fester Form auf der Oberfläche. Es gibt eine ganze Reihe von Strukturen auf der Marsoberfläche, die schon in den Bilddaten der Mariner 9 - Mission Anfang der 70er Jahre und den zwei Viking-Orbitern Mitte bis Ende der 70er Jahre entdeckt wurden. Sie weisen unzweifelhaft auf das Vorkommen von fließendem Wasser und Gletschern auf der Marsoberfläche in der Frühzeit der Geschichte des Mars hin, wie Polkappen aus Wassereis, riesige „Ausflusstäler“, die in die nördliche Tiefebene münden, die vermutlich vor mehr als drei Milliarden Jahren von einem flachen Ozean bedeckt war – dendritische Netzwerke, die irdischen trocken gefallenen Fluss-Systemen ähneln. Außerdem erkundeten die Forscher damals Oberflächenformen, die Moränen von irdischen Blockgletschern ähneln, sowie riesige „chaotische“ Gebiete, in denen oberflächennahe Gesteinsschichten zerfallen erscheinen und offenbar enorme Mengen von Wasser vor langer Zeit aus dem Untergrund mobilisiert worden sind, sowie geschichtete Sedimente, die man sich nur befriedigend durch Bildung in stehenden Gewässern und nachfolgende Erosion nach Trockenlegung erklären kann. Daneben gibt es durch Winderosion geprägte Formen wie beispielsweise riesige Dünenfelder und teilweise gigantische yardang-ähnliche Erosionsstrukturen.

Das Auftreten von flüssigem Wasser auf der Oberfläche des Mars geschah offensichtlich vor langer Zeit – am Anfang der geologischen Geschichte des Planeten, als seine CO2-Atmosphäre noch dichter war und die Durchschnittstemperatur deutlich höher als heute. In der heutigen ausgedünnten Atmosphäre ist Wasser bei einem Bodendruck von circa sieben Millibar im flüssigen Zustand kaum noch möglich, mit Ausnahme der tiefsten Stellen, wie in Teilen der nördlichen Tiefebene und im großen Graben am Marsäquator in einem sehr eingeschränkten Temperaturbereich knapp über null Grad Celsius. Die ersten Ergebnisse der Auswertung der HRSC-Daten in Lankwitz belegen die früheren Vermutungen und Interpretationen der bisherigen Bilddaten: Tatsächlich gab es vor drei bis vier Milliarden Jahren – so weit schauen wir in Teilen des südlichen Mars-Hochlands zurück – sogar Niederschlag in Form von Regen und/oder Schnee, der die dendritischen Netzwerke gespeist und an einigen Stellen zur Bildung von stehenden Gewässern geführt hat.

Der größte Teil des auf der Oberfläche des Mars vor langer Zeit in flüssiger Form existierenden Wassers scheint in Verbindung mit vulkanischer Aktivität aus dem Untergrund mobilisiert worden zu sein, quasi durch hydrothermale Prozesse gigantischen Ausmaßes. Dadurch sind offenbar auch die großen Ausflusstäler entstanden, in denen zeitweise wahrscheinlich Wassermengen von einigen 100 Millionen Kubikmeter pro Sekunde abgeflossen sind, deutlich mehr, als wir es von den größten Flusssystemen der Erde kennen. Die vulkanische Aktivität wirkte über Milliarden Jahre in gewissen Zentren, wie der Tharsis-Aufwölbung und in der Elysium-Region, und hat große Vulkankomplexe entstehen lassen, wie den Schildvulkan Olympus Mons mit 600 Kilometern Basisdurchmesser, 23 Kilometern Schildhöhe von der direkten Umgebung gemessen und einer 80 Kilometer durchmessenden, in mehreren Stufen entstandenen Gipfel-Caldera.

Eine erste Analyse der Bilddaten der bisher überflogenen Vulkane bestätigt, dass die Aktivitätsperiode vor fast vier Milliarden Jahren begann, jedoch – entgegen früheren Vermutungen – an einigen Stellen bis vor kurzer Zeit zumindest episodisch andauerte. Eine Phase besonders starker Aktivität ist für die Vulkane der Tharsis-Provinz für die vergangenen rund 100 bis 300 Millionen Jahre zu verzeichnen. Die jüngsten Lavaströme, die in den neuen Daten bislang entdeckt worden sind, sind „nur“ knapp drei Millionen Jahre alt. Dies bedeutet, dass der Mars auch heute noch vulkanisch aktiv sein könnte und einige der Vulkane jederzeit auch heute noch ausbrechen könnten. Dies war eine der großen wissenschaftlichen Überraschungen, die die Mars Express Mission mit sich gebracht hat.


Aus einer Entfernung von 5,5 Millionen Kilometern
nahm die HRSC Kamera an Bord der ESA-Sonde
am 1. Dezember 2003 den Mars zum ersten Mal auf


Aus den HRSC-Bilddaten wird immer mehr offenbar, dass eine zunehmende Vergletscherung über Zeiträume von Milliarden Jahren eine größere Rolle gespielt hat, als auf der Basis der Interpretation der Daten von früheren Missionen geschlossen worden war. Diese Prozesse scheinen zu unserer großen Überraschung bis vor gar nicht langer Zeit angehalten zu haben, das heißt, es gibt Anzeichen von Austreten von Wasser und Vergletscherung vor wenigen Millionen Jahren, auch in äquatornäheren Bereichen, zum Beispiel unterhalb des westlichen Steilabbruchs des großen Vulkans Olympus Mons. Dies scheint gekoppelt zu sein mit zeitgleich ablaufender vulkanischer Aktivität.

Die Hauptmenge der Daten wird im Laufe dieses und der nächsten Jahre entstehen. Die hier nur andeutbaren ersten Ergebnisse werden im Herbst 2004 in mehreren Papieren in Nature und anderen wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht und markieren den Beginn einer wissenschaftlich aufregenden und sehr produktiven Periode der Erfassung der Evolution des Planeten im Detail. Insbesondere die Beantwortung der Frage, welche Rolle Wasser auf der Oberfläche des Planeten gespielt hat, wann und in welchen Mengen es in flüssiger Form oder auch als Gletschereis aufgetreten ist, erscheint jetzt auf der Basis der Auswertung der HRSC-Daten möglich. Wir haben mit diesem Experiment im Mars-Orbit und den damit generierten außergewöhnlichen farbigen Stereobilddaten in höchster Auflösung und globaler Abdeckung die einzigartige Gelegenheit, die geologische Evolution des Mars, seine Klimageschichte und insbesondere die Geschichte des Wassers quasi „exklusiv“ studieren zu können und damit auch die Basis für die Charakterisierung der früheren Mars-Umwelt zu schaffen. Denn mit der Frage nach dem Wasser auf dem Mars ist die Frage nach Leben auf dem Mars verbunden, ob es sich jemals entwickelt hat und vielleicht auch heute noch eventuell in mikrobieller Form existiert.

Glossar

lateral: seitlich, auf der Oberfläche

Orbit: Umlauf (der Sonde um den Mars)

RAID: Redundant Array of Independent Disks

dentritisch: verzweigt

Yardang: durch Winderosion herauspräparierter länglicher Hügel

fluvial: „durch Wasser“

glazial: zum Beispiel: glazial geprägte Oberfläche – durch Eis geprägte Oberfläche


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Das neue Bild des Planeten Mars
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