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Mars Express - Experimente 

MaRS

Bild vergrößernRadio-Sondierung (MaRS)
©NSSDC
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Mit dem Mars Radio Science Experiment (MaRS) an Bord des Mars Express-Orbiters werden die Ionosphäre, die Atmosphäre, die Oberfläche und selbst das Innere des Planeten Mars erforscht. Dazu werden die Schwankungen und Veränderungen der Radiosignale der Sonde untersucht, während diese den Planeten umkreist.

Bild vergrößernNetzwerk der Bodenstationen (Ground Station Network)
©ESA
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Die Kommunikation zwischen den Bodenstationen und Mars Express erfolgt über Radiosignale bei den Frequenzen 2,3 Gigahertz (S-Band) und 8,4 Gigahertz (X-Band). Im Verlauf des Orbits der Sonde um den Mars durchläuft die Radiostrahlung zeitweise erst dessen Atmosphäre und Ionosphäre, bevor sie auf der Erde empfangen wird. Das verändert die Frequenz, die Amplitude und die Polarisation der Radiostrahlung auf charakteristische Weise. Weitere Änderungen treten durch die relative Bewegung zwischen Sonde und Bodenstation (Dopplereffekt) oder durch Reflexion an der Marsoberfläche auf.

Die verschiedenen Einflüsse wirken sich bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich aus. Die Verwendung von 2 Trägerfrequenzen hat den Vorteil, dass damit die unterschiedlichen physikalischen Mechanismen (Dopplerverschiebung, Dispersion etc.) voneinander getrennt untersucht werden können.

Bild vergrößernBedeckung der Mars Express-Sonde
©ESA/astrolink.de
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Während der gesamten Mission wird Mars Express bei etlichen Umläufen um den Mars - von der Erde aus gesehen - hinter dem Planeten stehen. Kurz bevor die Sonde auf ihrer Umlaufbahn hinter dem Planetenkörper verschwindet oder kurz nachdem sie wieder hervorkommt, durchlaufen die Radiosignale auf ihrem Weg zur Erde die Marsatmosphäre, wodurch sie verändert werden. Deren genaue Analyse liefert dann Informationen über den Aufbau der Marsatmosphäre, d.h. den Verlauf von Temperatur, Druck und Dichte mit der Höhe über der Oberfläche.

Im Unterschied zu den Missionen Mariner 4 und Mars Global Surveyor, die ähnliche Experimente durchführten, werden bei der Mission Mars Express sowohl S- als auch X-Band-Frequenzen verwendet.

Radiosignale mit niedrigeren Frequenzen im S-Band reagieren empfindlich auf Schwankungen der Dichte elektrisch geladener Teilchen (Plasma) entlang ihres Ausbreitungsweges. Damit kann der Aufbau der Mars-Ionosphäre, d. h. der äußeren elektrisch geladenen Schicht der Marsatmosphäre, bestimmt werden. Zusammen mit dem Plasma-Detektor-Experiment (ASPERA) kann damit die Wirkung des energiereichen Sonnenwinds auf die Gashülle des Mars erforscht werden. Dieser wird als Hauptverursacher für den Verlust der ehemals sehr viel dichteren Marsatmosphäre angesehen, was aber bislang noch ein großes Rätsel ist.

Mit Hilfe der Radio-Sondierung werden Ort und Geschwindigkeit der Mars Express-Sonde auf ihrer Umlaufbahn fortwährend mit hoher Präzision gemessen. Damit kann das Schwerkraftfeld des Mars sehr genau bestimmt werden. Die Messungen liefern sowohl Informationen über den inneren Aufbau des Planeten als auch über Anomalien in seiner Kruste. Dabei macht man es sich zunutze, dass die Bahngeschwindigkeit eines Satelliten um einen Planeten von der Schwerkraft abhängt, die auf die Sonde einwirkt. Abweichungen von einer idealen Kugelgestalt des Himmelskörpers, aber auch asymmetrische Massenkonzentrationen in dessen Kruste führen so zu messbaren Schwankungen in der Bahngeschwindigkeit des Satelliten.

Bild vergrößernSchwerkraftfeld des Mars (Mars Global Surveyor)
©JPL/NASA
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Dass das Schwerkraftfeld der Nordhalbkugel sich von dem der Südhalbkugel des Mars unterscheidet (Nord-Süd-Dichotomie), und dass es weitere lokale Schwere-Anomalien gibt, die auf Massekonzentrationen in der Marskruste hindeuten, haben die Daten des entsprechenden Doppler-Gravitations-Experiments der Mars Global Surveyor-Mission gezeigt. Diese Befunde werden mit Mars Express weiter untersucht. Insbesondere die Verknüpfung mit den dreidimensionalen Bildern der hochauflösenden Stereokamera (HRSC) an Bord der Mars Express-Sonde verspricht eine sehr viel genauere Kartierung der Anomalien, als dies bislang möglich war.

Bild vergrößernBistatic Radar Experiment
©NASA/astrolink.de
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Mit dem so genannten "Bistatischen Radar-Experiment" wird die Oberflächenbeschaffenheit, d.h. Rauhigkeit und Neigung, sowie die Zusammensetzung der Marsoberfläche bestimmt. Dazu wird der Mars Express-Orbiter so ausgerichtet, dass seine Radiosignale wie bei einem Radarstrahl auf ein bestimmtes Gebiet der Marsoberfläche einstrahlen. Die von dort reflektierten Signale werden dann von den Bodenstationen auf der Erde empfangen. Je größer die Rauhigkeit der Marsoberfläche, desto größer ist die Bandbreite der empfangenen Frequenzen, in die sich das Ursprungssignal aufspaltet. Diese Daten ergänzen die Ergebnisse der Spektrometer-Experimente OMEGA und PFS, mit denen die Zusammensetzung der Oberfläche bestimmt wird, und der dreidimensionalen hochaufgelösten Bilder der Stereokamera HRSC. Die Geometrie des bistatischen Radars an Bord des Mars Express-Orbiters eignet sich hervorragend zur Vermessung der Marsoberfläche von verschiedenen Breiten, Längen und Einfallswinkeln.

Bild vergrößernKonjunktion Mars-Sonne
©astrolink.de
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Jeweils im Herbst 2004 und 2006 werden Mars und Erde auf gegenüberliegenden Seiten von der Sonne stehen. Für etwa 8 Wochen müssen dann die Radiosignale des Mars Express-Orbiters erst die ausgedehnte Korona der Sonne durchlaufen, bevor sie zur Erde gelangen. Frequenz, Laufzeit und Amplitude des Radiosignals verändern sich beim Durchgang durch das heiße Gas der Korona. Dieser Vorgang wird als Dispersion bezeichnet, seine Größe hängt von der verwendeten Frequenz des Radiosignals ab.

Bild vergrößernKoronaler Massenausbruch, SOHO-Satellit
©SOHO/NASA/ESA
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Damit ist eine Untersuchung der Sonnenkorona möglich, bei der die Dichte und Geschwindigkeit des bis zu einer Million Grad heißen Sonnenplasmas ermittelt werden kann. Hierbei interessieren insbesondere die sog. Koronalen Massenausbrüche (CME), die auch für elektronische Systeme auf der Erde gefährlich werden können.





 
 
 
 

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22.02.2015

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Autor dieses Artikels:  Prof. Dr. Bruno Deiss

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