In den kommenden Wochen kommt unser Nachbarplanet Mars wieder in Erdnähe und wird ein auffälliges Objekt am Nachthimmel. Aber schon viel länger steht er im Fokus, denn er ist das nächste ambitionierte Ziel der bemannten Raumfahrt. Bis es soweit ist, dass Astronauten ihren Fuß auf seine Oberfläche setzen werden, arbeiten automatische Sonden wie der europäische Mars Express daran, mehr über die Verhältnisse auf dem roten Planeten herauszufinden.

1898 erschien H.G. Wells Roman „Der Krieg der Welten“. Die fantastische Erzählung beginnt mit den Worten:

Niemand hätte im ausgehenden neunzehnten Jahrhundert ge­glaubt, dass das Treiben auf der Erde scharf und genau von Wesen beobachtet wurde, die intelligenter waren als die Menschen und doch nicht minder sterblich; dass die Menschen bei allem, was sie so emsig betrieben, akribisch überwacht und erforscht wur­den, vielleicht fast genauso akribisch, wie ein Mensch mit einem Mikroskop die kurzlebigen Kreaturen erforscht, die in einem Trop­fen Wasser wimmeln und sich mehren. (H. G. Wells „Der Krieg der Welten“, 2017, © S. Fischer Verlag GmbH, Frankfurt am Main)

In der Wirklichkeit ist es genau umgekehrt; wir Erdlinge beobachten mit allen Tricks der modernen Wissenschaft und Technik unseren Nachbarplaneten. Seit nun rund 54 Jahren ist er immer wieder Ziel diverser Raumsonden und unter genauester Beobachtung. Allerdings ist das eine Geschichte von Erfolgen und Misserfolgen. Von den 47 Versuchen, den Mars zu erreichen und zu erforschen, erreichten nur 30 ihr Ziel, wobei 6 von ihnen aus unterschiedlichsten Gründen kurz nach der Ankunft am Planeten versagten. Aber diejenigen, die erfolgreich waren – oder immer noch aktiv sind – lieferten neben fantastischen Bildern auch eine Fülle neuer Erkenntnisse, die den Mars heute in einem völlig neuen Licht erscheinen lassen als vor dem Raumzeitalter.

Noch 1962 fasste der viel zu früh verstorbene Astronom Rudolf Kühn in seinem Buch Die Himmel erzählen“ den damaligen Wissensstand über die im Fernrohr erscheinenden dunklen Gebiete auf dem Planeten folgendermaßen zusammen:

Weniger sicher ist die Deutung der dunklen Gebiete, die sich als die deutlichsten Einzelheiten der Marsoberfläche darbieten … Die Farbe dieser Gebiete verändert sich regelmäßig je nach Jahreszeit auf dem Planeten. Viele Astronomen sind der Ansicht, dass gewisse Oberflächenstrukturen oder chemische Substanzen diese Veränderungen hervorrufen. Die Mehrzahl der Forscher neigt heute jedoch zu der Meinung, dass die dunklen Gebiete eine niedrige Vegetation aus Moosen, Flechten, vielleicht auch Algen haben. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass wir keinen zwingenden Grund kennen, warum es auf dem Mars kein organisches Leben in niedrigster Form geben soll, …

Schon die ersten Raumsonden, die den Planeten untersuchten, zeigten, dass die erste Gruppe der Wissenschaftler das richtige Gespür hatte. Die Marsoberfläche ist wüstenhaft und lebensfeindlich.

Eines dieser um den Mars fliegenden Labors, Mars Express, feierte gerade sein 15-jähriges Jubiläum, ohne dass die Medien groß davon Notiz nahmen. Am 2. Juni 2003 hob eine Rakete mit der Raumsonde von der Startrampe bei Baikonur, Kasachstan, ab. Nach einem rund halbjährigen Flug kam das Gerät am ersten Weihnachtstag 2003 am Planeten an und erreichte fünf Tage später seine Umlaufbahn.

Mars Express wurde in Rekordzeit gebaut. Zwischen der Projektgenehmigung und dem Start vergingen keine fünf Jahre. Deshalb erhielt die Sonde den Beinamen ‚Express‘.

Mars Express ist Europas erste Planetenmission und eine der erfolgreichsten, die je zum Mars geschickt wurden. Die Raumsonde bestand ursprünglich aus zwei Komponenten. Zum einen aus Mars Express selbst, der in eine Umlaufbahn einschwenken sollte, und aus dem Landegerät Beagle 2, das Gestein und Boden auf der Oberfläche untersuchen sollte.

Allerdings ging Beagle bei der Landung am 25. Dezember 2003 verloren, als gleich nach der Trennung von Mars Express der Funkkontakt abriss. Erst 2015 zeigten Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) der NASA, dass das Gerät trotzdem weich gelandet war.

Für diese planetare Erstlingsmission Europas sind die Ziele hochgesteckt. Neben einer vollständigen Erfassung der Marsoberfläche, sollen die oberen Bodenschichten und die Atmosphäre des Planeten mit noch nie erreichter räumlicher und spektraler, d. h. wellenlängenabhängiger, Genauigkeit untersucht werden. Dabei ist die Suche nach Wasser in all seinen Erscheinungsformen die verbindende Aufgabe aller Experimente. Wenn es Wasser auf dem Mars gibt oder gab, könnten möglicherweise noch heute einfachsten Lebensformen im Boden existieren oder waren dort einst vorhanden.

Daneben werden die beiden kleinen, asteroidenartigen Marsmonde Phobos und Deimos erforscht.

Insgesamt sind auf der Planetensonde sieben Instrumente untergebracht, deren Ergebnisse den Mars in einem neuen Licht erscheinen lassen. Nachfolgend möchte ich eine kleine, subjektive Auswahl der Höhepunkte der Mission vorstellen.

Die hochauflösende Stereokamera (High-Resolution Stereo CameraHRSC) an Bord von Mars Express liefert atemberaubende Ansichten der Planetenoberfläche, die beispielsweise zeigen, dass der Mars bis vor kurzem noch geologisch aktiv war. Kurz bedeutet hier ein Zeitraum von einigen Hunderttausend bis wenige Millionen Jahren. Auf den Aufnahmen sind die Wirkungen von Gletschern und vulkanischen Aktivitäten zu erkennen.

Mawrth_Vallis_perspective_viewMawrth Vallis

Eines der geologisch interessantesten Gebiete ist die Tharsis-Region, die sich nahe beim Äquator an der Grenze zwischen den südlichen Hochländern und den nördlichen Tiefländern befindet, und von der Stereokamera besonders intensiv aufgenommen wurde. Die Region war früher geologisch besonders stark aktiv. Davon zeugen die vier gewaltigen Vulkane und die Anzeichen für eine Plattentektonik. Zwei der Vulkane, Ascraeus und Pavonis Mons, erheben sich mehr als 20 Kilometer hoch in die dünne Marsatmosphäre. Dagegen sind der Mount Everest, mit 8848 Metern der höchste Berg auf der Erde, und der Mauna Kea, der höchste Vulkan auf unserem Planeten, wenn man seine Höhe von 10293 Metern vom Meeresboden misst, wahre Zwerge.

Die Tharsis-Region nimmt rund ein Viertel der Marsoberfläche ein und große Teile liegen zwischen zwei und zehn Kilometern hoch.

Topography_of_Tharsis_region_on_MarsDie Tharsis-Region

Da es ja kein Wasser an der Oberfläche gibt, nimmt man als „Meereshöhe“ den Abstand vom Marszentrum, bei dem die Schwerkraft der gemittelten Anziehungskraft am Äquator entspricht. Die Definition ist im ersten Moment etwas unanschaulich, aber doch recht praktisch.

Die Tharsis-Region steht auch mit dem tiefsten bekannten Canyon im Sonnensystem in Verbindung, dem Valles Marineris, der rund viermal länger und tiefer ist als der Grand Canyon.

Mit OMEGA (Infrared Mineralogical Mapping Spectrometer) wird die Verteilung der Mineralien auf der Marsoberfläche untersucht. Daneben lieferte inzwischen detaillierte Karten über die Verteilung von Wasser- und Kohlendioxideis in den Polregionen des Planeten.

Außerdem spürte es sogenannte Schichtsilikate auf. Auf der Erde gehören Mineralien wie Glimmer, Kaolin, Tonmineralien in Sedimentgesteinen und andere dazu. Wie OMEGA herausfand, konzentrieren sich diese Mineralien hauptsächlich in den alten kraterreichen Regionen. Da sie sich auf der Erde nur in einer wässrigen Umgebung bilden, interpretieren die Wissenschaftler ihr Vorkommen auf dem Mars dahingehend, dass dort vor rund 4 Milliarden ein wesentlich feuchteres Klima herrschte. Möglicherweise existierte damals für mehrere hundert Millionen Jahre flüssiges Wasser sogar auf der Oberfläche oder zumindest dicht darunter und bot einfachen Lebensformen eine ausreichende Grundlage. Andererseits zeigen die gefundenen Sulfate und Eisenoxide, dass der Planet später austrocknete.

OMEGA fand auch Wolken aus Kohlendioxideis in etwa 80 Kilometern Höhe über der Marsoberfläche. In der Atmosphäre über den Polen konnte auch molekularer Sauerstoff nachgewiesen werden. Genau genommen bilden sich je nach Jahreszeit bis zu drei Ozonschichten auf dem Mars aus, die aber wesentlich dünner sind als auf der Erde. Ozon, ein Molekül aus drei Sauerstoffatomen, entsteht auf dem roten Planeten dadurch, dass die UV-Strahlung Sauerstoffatome aus Kohlendioxidmolekülen herauslöst, die sich dann zu Ozon verbinden.

Mit Fug und Recht kann man Mars als Wüstenplaneten bezeichnen. Allerdings vermuten Forscher, dass sich ein Teil des Wassers, das einst auf dem Planeten vorhanden war, sich in tiefere Schichten der Oberfläche zurückgezogen hat und dort immer noch in Form von Eis vorhanden ist. Danach sucht das Radargerät MARSIS, dass bis zu 5 Kilometer unter die Oberfläche eindringen kann.

Allerdings lässt sich mit den vorhandenen Daten aus der Umlaufbahn noch nicht eindeutig das Vorkommen von Eis im Marsboden beweisen, da auch verdichteter Sand ähnliche Signale liefert.

Mit OMEGA wurden die Dicken der polaren Eiskappen vermessen. Am Südpol des Mars ist so viel Wassereis gebunden, dass es im geschmolzenen Zustand die gesamte Oberfläche mit einer 11 Meter dicken Wasserschicht bedecken würde.

Zusätzlich kann damit die Ionosphäre des Mars vermessen werden. Auch entdeckte MARSIS lokale Magnetfelder in der Kruste des Planeten. Ansonsten besitzt der Planeten kein globales Magnetfeld mehr wie die Erde. Vermutlich ging es schon sehr früh, wenige hundert Millionen Jahren nach der Entstehung des Mars verloren.

Mit einem weiteren Messgerät, dem planetare Fourier-Spektrometer (PFS) wurde die bisher vollständigste Karte der chemischen Zusammensetzung der Marsatmosphäre erstellt. Unter den verschiedenen Stoffen zeigten sich auch Spuren von Methan, dem einfachsten organischen Molekül. Allerdings ist unklar, ob es sich dabei um das Endprodukt geologischer oder biologischer Prozesse handelt. Doch dazu mehr etwas später. Neben den chemischen Daten zeichnet PFS auch die Temperaturen in der Atmosphäre bis in eine Höhe von 50 km auf.

In der Marsatmosphäre gibt es praktisch keinen Sauerstoff. Ohne Raumanzug könnte dort kein Astronaut im freien überleben, einmal abgesehen davon, dass der Luftdruck auch zu gering ist. Die Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid. Dessen Verteilung in verschiedenen Höhen über der Oberfläche misst SPICAM, das Ultraviolett- und Infrarot Atmosphärenspektrometer.

Überraschend war die Entdeckung von Polarlichtern in mittleren Breiten. Da der Mars nur ein sehr schwaches Magnetfeld besitzt, hatte dies niemand erwartet. Aber offensichtlich sind einige der lokalen Magnetfelder stark genug, Teilchen des Sonnenwinds einzufangen und in die Marsatmosphäre zu lenken, wo sie deren Moleküle zum Leuchten anregen. Der Mechanismus ist derselbe wie bei uns in den Polgebieten.

Wegen der fehlenden Schutzschicht durch ein Magnetfeld ist die Marsatmosphäre allerdings dem ständig wehenden Sonnenwind schutzlos ausgesetzt. Folglich verliert Mars permanent einen Teil seiner Luft. Der Analysator für energiereiche Atome (ASPERA) beobachtet die damit verbundenen Vorgänge. Inzwischen ist klar, dass der Sonnenwind auch für die Verwüstung des Planeten verantwortlich ist, weil er vorwiegend Wasserstoff- und Sauerstoffionen mit sich reißt. Wasser besteht aus einem Atom Sauerstoff und zwei Atomen Wasserstoff. Durch die UV-Strahlung der Sonne werden die Wassermoleküle in der Marsatmosphäre in ihre Bestandteile zerlegt, die dann vom Sonnenwind mitgerissen werden. Die Verlustrate ist allerdings stark von der Stärke des Sonnenwinds und der ultravioletten Strahlung der Sonne abhängig. Im Gegensatz zu Wasser verliert der Mars aber nur sehr wenig Kohlendioxid.

Die Rauigkeit der Oberfläche des Planeten untersucht das Radioexperiment MaRS. Gleichzeitig misst es Änderungen der Umlaufbahn von Mars Express, die durch Bereiche mit geringerer oder höherer Dichte unterhalb der Oberfläche verursacht werden. Wie auf der Erde lassen sich Radiowellen auch dazu verwenden, elektrisch leitende Schichten in der Atmosphäre zu vermessen.

Auf der Erde sorgt die Ionosphäre dafür, dass sich Radiowellen bis zu einer bestimmten Frequenz über große Entfernungen ausbreiten. Diese Eigenschaft wurde vor dem Zeitalter der Funk- und Fernsehsatelliten für die Kurzwellenübertragung ausgenutzt. Dadurch sind selbst relativ schwache Stationen aus entfernten Region zu empfangen. Ich habe selbst lange Zeit als sogenannter Kurzwellenhörer den Sendungen vieler Radiostationen aus über 100 Ländern zugehört. Auch wenn man wegen der fremdartigen Sprachen nicht versteht, was gesagt wird, ist die exotische Musik, die man dabei zu hören bekommt, oft sehr reizvoll. Heute ist der Empfang solcher Stationen über das Internet wesentlich einfacher.

Aber ich schweife ab. Deshalb zurück zum roten Planeten. Dort hatte man keine Ionosphäre erwartet, doch fand MaRS heraus, dass sich eine Ionosphäre bildet, wenn Sternschnuppen in der Atmosphäre verglühen, und untersucht die Variationen auf der Tages- und Nachtseite.

Mars Express war und ist weiterhin eine sehr erfolgreiche Planetenmission der europäischen Raumfahrtorganisation ESA und wird in Zukunft weiterhin wichtige Erkenntnisse zu einem besseren Verständnis über den Mars und den Bedingungen für erdähnliche Exoplaneten liefern.

Zum Schluss komme ich noch einmal wie versprochen zum Methan zurück. In den letzten Tagen machte die NASA etwas Wirbel darüber, weil der Marsrover Curiosity der NASA festgestellt hatte, dass die Menge des Gases starken jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt, wobei auch kurzzeitige Spitzen auftreten. Aber trotz des Medienrummels, bleibt die Frage nach den Methanquellen weiterhin unbeantwortet.

Das Rätsel kann vielleicht Trace Gas Orbiter der ESA lösen, der gerade seine systematische Suche nach Spurengasen aus der Umlaufbahn um den Mars aufgenommen hat. Bei verdächtigen Beobachtungen wird er seine Kamera auf die Gebiete richten, in denen die Gase auftreten. Warten wir ab, was dabei herauskommt.

NASA_Life_01

 

 

Kommentare (6)

  1. #1 RPGNo1
    15. Juni 2018

    Eines dieser um den Mars fliegenden Labors, Mars Express, feierte gerade sein 15-jähriges Jubiläum, ohne dass die Medien groß davon Notiz nahmen.

    Mir war bis zu diesem Artikel gar nicht mehr bewusst, dass überhaupt noch eine aktive Sonde der ESA um den Mars kreist und Daten liefert. Die Marsrover der NASA auf der Planetenoberfläche liefern dann doch mehr Gesprächsstoff.

  2. #2 werner
    15. Juni 2018

    “nimmt man als „Meereshöhe“ den Abstand vom Mauszentrum,” . Huch, eine Marsmaus ! Es gibt dort also doch Leben. Netter Verschreiber 😉

    • #3 hzekl
      15. Juni 2018

      Das war schon eine dicke Maus. Danke für den Hinweis.

  3. #4 Alderamin
    22. Juni 2018

    @Hans

    Schöner Artikel über eine erfolgreiche Sonde, danke dafür.

    Allerdings lässt sich mit den vorhandenen Daten aus der Umlaufbahn noch nicht eindeutig das Vorkommen von Eis im Marsboden beweisen, da auch verdichteter Sand ähnliche Signale liefert.

    Erinnert mich an die Meldung des Fundes eines “nordseegroßen Eisfeldes” unter der Oberfläche des Mars: https://www.wissenschaft.de/astronomie-physik/eisige-nordsee-am-mars-aequator/

    Ist das Ergebnis heute in Zweifel gezogen? Hatte seitdem nichts negatives darüber gehört.

    Am Südpol des Mars sammelt sich im Winter so viel Eis, dass es im geschmolzenen Zustand die gesamte Oberfläche mit einer 11 Meter dicken Wasserschicht bedecken würde.

    Meines Wissens nach ist das Wasser an den Polen Permafrost. Nur CO2 sammelt sich im Winter an und sublimiert im Sommer wieder fort, was die wachsenden und schrumpfenden sichtbaren Polkappen verursacht und den Atmosphärendruck des Mars signifikant schwanken lässt.

    • #5 hzekl
      22. Juni 2018

      @Aldemarin
      Bei dem Eisfeld wurden ja Strukturen beobachtet, die ähnlich wie Eisschollen aussehen. Das ist etwas anderes als die Radarsignale von Mars Express. Hier sieht man im Tiefenprofil hellere und dunklere Schichten bzw. Strukturen unter der Oberfläche, ohne dass adäquate Oberflächenstrukturen zu erkennen sind. Das macht die Analyse so schwierig, während die Sache mit dem Eisfeld wohl wesentlich sicher sein dürfte.

      Das Beispiel mit dem Wassereis am Südpol ist etwas unglücklich geraten. Du hast recht, das Wassereis verdampft oder sublimiert nicht. Mein Text ist etwas irreführend und habe ihn deshalb geändert.

  4. #6 Alderamin
    22. Juni 2018

    @Hans

    Bei dem Eisfeld wurden ja Strukturen beobachtet, die ähnlich wie Eisschollen aussehen. Das ist etwas anderes als die Radarsignale von Mars Express.

    Ist schon ein paar Jahre her, meinte mich zu erinnern, es sei eine geschlossene Fläche gewesen, die mit MARSIS entdeckt worden war. Fand jetzt aber auch keine Quelle mehr dafür.