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Mars Express - Experimente 

MARSIS

Bild vergrößernMars Express mit ausgebreiteter MARSIS-Antenne
©ESA
»Mars Express
Mit dem MARSIS-Experiment (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding) werden die oberen Schichten der Marskruste mit Radarstrahlen "durchleuchtet", um verborgene Wasser- oder Eisvorkommen aufzuspüren. Mit dem gleichen Instrument wird auch die Ionosphäre, die äußere elektrisch geladene Schicht der Marsatmosphäre, erforscht.

Erst nachdem der Mars Express-Orbiter in eine Umlaufbahn um den roten Planeten eingeschwenkt ist, entfaltet sich die 40 m lange Antenne für dieses Experiment. Sie dient sowohl als Sende- als auch als Empfangsantenne für die niederfrequente Radiostrahlung von 1,3 - 5,5 Megahertz, was Wellenlängen zwischen 5 - 22 m entspricht. Diese recht langen Wellenlängen sind nötig, da nur sie einige Kilometer tief in den Marsboden eindringen. Zusammen mit der elektronischen Einheit wiegt das gesamte Instrument etwa 12 kg.

Bild vergrößernMessprinzip des MARSIS-Experiments
©ESA/astrolink.de
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Radiowellen werden von jeder Art von Oberfläche oder Grenzschicht reflektiert - nur unterschiedlich stark. Der größte Teil der in Richtung Marsboden gestrahlten Radiopulse wird an der Oberfläche sofort zurückgeworfen und erzeugt ein starkes Radarecho. Teile der langen Radiowellen dringen allerdings 2-3 km, an günstigen Stellen auch bis zu 5 km tief in die Marskruste ein. Wo immer sich die Zusammensetzung des Materials ändert, beispielsweise in Wasser führenden Schichten, werden die Strahlen zurückgeworfen und erzeugen weitere Radarechos. Je tiefer die Schichten liegen, desto schwächer fällt das Echo aus und desto später kommt es an der MARSIS-Antenne an. Damit gibt der Zeitunterschied der empfangenen Echos Auskunft über die Dicke der verschiedenen Schichten tief im Marsboden.

Radiostrahlung mit langer Wellenlänge wird an elektrisch leitenden Schichten besonders gut reflektiert. Das trifft auch für die Ionosphäre zu, weshalb die Radar-Untersuchungen des Marsbodens nur auf der Nachtseite des Mars Express Orbits durchgeführt werden, wo die Aktivität der Ionosphäre gering ist. Um möglichst starke Echos zu erhalten, muss die Flughöhe außerdem niedriger als 800 km sein. Beides ergibt eine maximale Experimentdauer von 26 Minuten pro Umlauf, der auf der vorgesehenen Bahn ungefähr 6,75 Stunden dauert.

In den ersten 100 Tagen der Mission liegt der niedrigste Bahnpunkt allerdings auf der Tagseite des Orbits, so dass vorerst nur Testmessungen durchgeführt werden. In den darauf folgenden 200 Tagen führt der niedrigste Teil des Orbits auf der Nachtseite über die Südhalbkugel des Mars. Das bietet die Gelegenheit, die südliche Polarregion intensiv zu untersuchen. Von den Polarregionen des Mars weiß man schon lange, dass dort die Oberfläche besonders deutlich in Schichten strukturiert ist. Man erhofft sich von der Erforschung dieser Schichten, etwas über den Verlauf des Marsklimas der vergangenen Milliarden Jahre zu lernen. Die gescheiterte Mars Polar Lander-Mission hätte hierüber schon erste Befunde liefern sollen.

Bild vergrößernGeländeformation mit deutlichen Schichten
©JPL/NASA
»Mars Express

Im Verlauf der restlichen Zeit der Mission wird jede Stelle der Marsoberfläche mit dem Bodenradar "durchleuchtet". Die Aufnahmen mit dem Mars Global Surveyor haben gezeigt, dass die Marsoberfläche an vielen Stellen etliche übereinander liegende Schichten aufweist, was auf eine verwickelte Entstehungsgeschichte hindeutet.

Um mehr über die Zusammensetzung der oberen Marskruste herauszubekommen, werden jeweils 2 Radiopulse gleichzeitig abgestrahlt, allerdings mit unterschiedlichen Wellenlängen. Je nach Art des Gesteins fallen die Radioechos der beiden eingestrahlten Frequenzen unterschiedlich aus. Aus dem Zusammenspiel der empfangenen Daten ergeben sich Informationen über die elektrischen Eigenschaften der reflektierenden Schichten innerhalb der Kruste und damit über deren Aufbau.

Insbesondere in nicht allzu großer Tiefe erwartet man, dass in den Gesteinen Wassereis eingelagert ist. Auch die Mächtigkeit der Sandablagerungen in den großen Dünengebieten auf dem Mars kann mit dem MARSIS-Experiment bestimmt werden. Falls tatsächlich einmal ein großer Ozean oder zumindest große Seen auf dem Mars existiert haben, kann man großflächige Sedimentschichten an der Marsoberfläche erwarten. Charakteristische Radarechos geben hierüber Auskunft und lassen diese Gebiete auffinden, selbst wenn die Sedimentschichten von anderem Material später überlagert wurden. Auch unterschiedliche Lavaströme aus der Zeit des längst erloschenen Vulkanismus auf dem Mars sind durch ihre unterschiedlichen Radarechos heute noch erkennbar.

Auf der Tagseite des Mars führt die Sonneneinstrahlung, insbesondere die Wechselwirkung mit den Teilchen des Sonnenwinds, zu einer Abspaltung von (negativ geladenen) Elektronen aus den Gasatomen der oberen Atmosphäre. Dieser Vorgang wird als Ionisation bezeichnet. Dadurch bildet sich eine elektrisch geladene Schicht. Die langen Radiowellen des MARSIS-Radars werden an dieser Ionosphäre reflektiert. Wie stark diese Reflektion ist und wo sie stattfindet, hängt von der Dichte der freien Elektronen in den verschiedenen Höhenzonen ab. MARSIS ist damit in der Lage, den Verlauf der Elektronendichte mit der Höhe zu messen und damit zu bestimmen, in welchem Umfang der unablässige Strom geladener Teilchen von der Sonne auf die obere Marsatmosphäre einwirkt und diese mitreißt. Damit wird das Plasma-Detektor-Experiment ASPERA ergänzt, mit dem die Frage nach dem Verbleib der ehemals sehr viel dichteren Marsatmosphäre beantwortet werden soll.





 
 
 
 

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22.02.2015

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Autor dieses Artikels:  Prof. Dr. Bruno Deiss

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