Titelthema - Die Welt in 3D: Mars und Europa - wissenschaft.de
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Titelthema – Die Welt in 3D: Mars und Europa

Räumliche Bilder vom Mars und Jupitermond Europa bringen den Weltraum zum Greifen nah. Die neuen Fotos vom Mars geben faszinierende Einblicke in exotische Landschaften, die irdischen Urlaubsbildern verblüffend ähneln. Manche Gegenden im All kennen wir inzwischen so gut wie unsere Heimat. Doch was sich in Jupiters Trabantenwelt unter Europas Eisschollen verbirgt, ist weiterhin ein Rätsel.

Seit dem März dieses Jahres läuft bei unserem Nachbarn im All ein spannendes Programm: Die Oberfläche des Mars wird systematisch kartiert.

Es begann mit einer Panne: Ein beschädigtes Sonnenzellenpanel blockierte die schnelle Überführung des Spähers aus einer hohen Ellipse in die polare (sonnensynchrone) Kreisbahn um den Roten Planeten. Nach komplizierten Manövern wurde diese Bahn in etwa 400 Kilometer Höhe mit einer Umlaufszeit von zwei Stunden erreicht. Von hier aus ist eine fotografische Abdeckung der gesamten Mars-oberfläche alle sieben Tage möglich. Die am 7. November 1996 gestartete US-Raumsonde Global Surveyor konnte mit ihrem wissenschaftlichen Programm beginnen.

Von der Kartierung mit der Kamera MOC (Mars Orbiter Camera) , die sich über ein Marsjahr (667 Erdtage) erstreckt, erhoffen sich die Experten erste wichtige Bilddaten für Landemissionen. Schon aus der elliptischen Umlaufbahn sandte die Kamera beeindruckende Aufnahmen mit einer Auflösung von etwa zehn Metern pro Bildpunkt zur Erde.

Wie wichtig hochauflösende dreidimensionale Bilddaten für künftige Missionen sind, die das Marsrelief in großräumigen bis lokalen Maßstäben detailgetreu wiedergeben, dokumentiert ein Problem, das Marsforscher seit mehr als 20 Jahren rätseln läßt: „Wo ist Viking?“ Der US-Marslander Viking-2 ging am 3. September 1976 mitten in der ausgedehnten Steinwüste Utopia Planitia nieder – das ist sicher, aber wo genau, war mit Hilfe des bisher verfügbaren Bildmaterials der Viking-Orbiter nicht herauszufinden.

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Auf ein ähnliches Problem stießen Wissenschaftler jetzt auch bei der historischen Landung von Viking-1: „Panoramabilder, die der Lander nach seinem Niedergang am 20. Juli 1976 im Gebiet Chryse Planitia zur Erde sandte, zeigen eine Reihe von Kratern am Horizont, die man damals in Viking-Orbiter-Bildern wiederzuerkennen glaubte“, kommentieren Jürgen Oberst und Wolfgang Zeitler vom DLR. „Eine neue Auswertung dieser Bilder mit modernen Methoden der Datenverarbeitung hat gezeigt, daß diese Zuordnung nur grob war und zu fehlerhaften Schlußfolgerungen führte.“ Da der Ort der Pathfinder-Landestelle zweifelsfrei feststeht, schlossen die DLR-Wissenschaftler, daß der Landeort von Viking-1 fünf Kilometer weiter östlich liegt.

Mars-Experten der NASA am Jet Propulsion Laboratorium in Pasadena (Kalifornien) bestätigten inzwischen die Ergebnisse des DLR-Teams und bekundeten ihr Interesse an einer überarbeiteten Karte des Planeten. „Die bisherigen Marskarten“, so Oberst und Zeitler, „sind zu ungenau, denn die Fehler betragen bis zu 20 Kilometern. Auf der Grundlage der neuen Vermessungen entsteht nun im DLR eine Marskarte mit einer Genauigkeit von etwa einem Kilometer.“

Die hochauflösende Kamera an Bord von Global Surveyor kann metergroße Details am Boden und möglicherweise auch die Viking- Relikte und Pathfinder erkennen. Gemeinsam mit geometrisch genauen Karten werden die MOC-Bilder von großer Bedeutung für die zukünftige Erforschung des Roten Planeten sein. Um aber Landegeräte an einer vorbestimmten Stelle des Marsbodens – also zielgenau zu plazieren – ist eine hochauflösende, dreidimensionale Photogrammetrie aus der Umlaufbahn die erste Wahl.

Das Pathfinder-Abenteuer von Juli bis Ende September 1997 unterstrich eindrucksvoll die wissenschaftliche Informationsfülle, die sich aus der Anwendung dreidimensionaler Bildprodukte in der Planetenforschung ergibt.

Die Kamera von Pathfinder IMP (Imager for Pathfinder) hatte zwei 15 Zentimeter voneinander entfernte Objektive und konnte daher – wie mit menschlichen Augen – die Umgebung gleichzeitig unter zwei Blickwinkeln betrachten. Dieser Effekt, das räumliche Sehen, war bis zu einem Abstand von 50 Metern wirksam und erlaubte, die Entfernung und Größe aller Objekte in diesem Bereich zu bestimmen.

Der „Kobold“, so die Bedeutung des Kürzels IMP im Englischen, wurde von Dr. Peter Smith an der Universität von Arizona in enger Kooperation mit Dr. Horst-Uwe Keller vom Max-Planck-Institut für Aeronomie in Katlenburg-Lindau entwickelt.

Für Smith hatte der Roboter menschliche Züge: „Nachdem der Kameramast ausgefahren war, konnte IMP die Umgebung aus 1,85 Meter Höhe betrachten. Die Kamera war ähnlich dem menschlichen Kopf aufgebaut. Sie konnte von den ‚ZehenO bis nach oben schauen und ihren ‚HalsO so verdrehen, daß sie auch hinter sich, also rundum blicken konnte – kein Winkel blieb unentdeckt.“

Zur dreidimensionalen Darstellung wurden die aus Aufnahmen des linken und rechten Kameraobjektivs berechneten und rot beziehungsweise blaugrün kodierten Panoramen leicht versetzt übereinandergelegt, so daß ein Anaglyphenbild entstand. Wird dieses „Kunstbild“ mit einer Brille betrachtet, die einem Auge Rot und dem anderen Blaugrün zeigt, erscheint die Marslandschaft dreidimensional.

Insgesamt lieferte die Landerkamera rund 16000 Aufnahmen mit einer Auflösung von zwei Millimeter pro Bildpunkt im Nahbereich und etwa drei Meter pro Bildpunkt am Horizont.

Offensichtlich gehört das Ares-Tal – Pathfinders Landeplatz – wie viele andere Täler am Marsäquator zu einem System von Ausflußtälern, die ihre Quellregionen in den chaotischen Gebieten der Valles Marineris haben.

Dieser gewaltige äquatoriale Krustenbruch, der rund ein Drittel der Marsoberfläche umspannt, ist wiederum zusammen mit der vulkanisch gebildeten Tharsis-Aufwölbung entstanden. Damit schließt sich der Kreis vom Pathfinder-Landeplatz und anderen Ausflußtälern zum Vulkanismus.

Der in die Erforschung des marsianischen Krustenbruchs involvierte DLR-Geologe Ernst Hauber vom Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung beschreibt: „Vermutlich wurde im Untergrund … als Permafrost gespeichertes Wasser durch vulkanische Wärmeentwicklung aufgeschmolzen. Oder es wurden grundwasserführende Schichten durch tektonische Beanspruchung aufgebrochen. Das Wasser vermischte sich sofort mit den nunmehr instabilen Gesteinsschichten und begann frachtbeladen mit ungebändigter Kraft dem Gefälle folgend zu fließen.

Die ursprüngliche Oberfläche stürzte nach und hat Senken mit chaotischem Aussehen hinterlassen.“

Dies alles ist vor drei bis vier Milliarden Jahren geschehen, als die Marsatmosphäre wesentlich dichter war als heute. Anschließend muß es eine dramatische Entwicklung gegeben haben, die zum Verlust des größten Teils der Luftmasse und des Atmosphären- und Oberflächenwassers führte – Atmosphäre und Wasser entwichen in den Weltraum, teilweise versickerte das Wasser auch im Untergrund.

Szenenwechsel – vom Mars zu Europa, einer eisigen, rätselvollen Welt beim Jupiter.

Seit dem 7. Dezember 1995 umkreist die Sonde „Galileo“ den Jupiter und sendet Daten und Bilder vom Riesenplaneten und von seinen vier größten Monden – Ganymed, Callisto, Io und Europa – zur Erde. Die einst bis Ende 1997 geplante amerikanisch-deutsche Mission wurde zunächst um zwei Jahre als sogenannte Galileo Europa Mission (GEM) weitergeführt. Anfang dieses Jahres wurde das Unternehmen nochmals bis etwa Ende 2000 verlängert. Unter den drei Eiswelten der Galileischen Monde hat Europa eine Sonderstellung. Inzwischen ist darüber ein wissenschaftlicher Disput ent-flammt. Schon auf Bildern der Voyager-Sonden, die 1979 das Jupitersystem passierten, fiel auf der Oberfläche von Europa der Mangel an Einschlagskratern auf – im Gegensatz zu den Nachbarn Ganymed und Callisto. Dafür dominierte auf den Bildern blankes Eis, durchzogen von einem Netz dunkler Linien. So lag die Vermutung nahe, daß Europa in geologischem Sinne sehr jung sei und daß sich unter der Eiskruste eine Hydrosphäre verbergen könnte, eine Art „unterirdischer“ Wasserozean.

Galileos Aufnahmesystem SSI, 100mal schärfer als Voyagers Augen, lieferte nun Nahsichten, die Europas Oberfläche in einer ungeahnten Vielfalt zeigen – die Mutmaßung eines Wasserozeans darunter aber weder bestätigen noch widerlegen:

zerbrochene und gegeneinander verschobene oder verkantete Eiskrusten, wie in einem „Eismeer“ driftende Eisschollen, Spuren kosmischer Bomben, die die Eiskruste durchschlagen haben könnten und Wasser auf die Oberfläche austreten ließen, das aber sofort wieder gefror, teilweise mehrfach überlagerte (Eis-)Bergrücken als Anzeichen von intensiver Eistektonik und vermutlich auch Vulkanismus. „Dieser Vulkanismus“, urteilt Prof. Gerhard Neukum, Direktor am Berliner DLR-Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung und Mitglied des Galileo-Kamerateams, „unterscheidet sich aber grundlegend von dem auf der Erde: Statt geschmolzenem Gestein muß Wasser ausgetreten sein, das an der Oberfläche bei Temperaturen von etwa minus 140 Grad Celsius gefror.“

Die wissenschaftliche Kontroverse rankt sich nun um die Frage, ob der vermutete Ozean heute noch existiert oder ob er längst ausgefroren und die „geologische“ Entwicklung des Mondes weitgehend zum Erliegen gekommen ist. Kurz: Wie alt ist die Oberfläche Europas?

Amerikanische Forscher unterstellen auch für die jüngere Vergangenheit eine hohe Zahl von Kometeneinschlägen – infolge der riesigen Schwerkraft Jupiters. Sie datieren das Alter der Oberflächenstrukturen auf nur wenige Millionen Jahre. Demnach wäre Europa jetzt noch aktiv und hätte einen Ozean unter dem Eis.

Nach dem von Neukum vertretenen Modell wäre Europas Oberfläche dagegen mindestens mehrere hundert Millionen alt, vielleicht sogar eine Milliarde Jahre. Der kleine Mond könnte inzwischen völlig durchgefroren sein. „Er muß es aber nicht sein. Unter einer dicken Eiskruste könnte sich sehr wohl – warmgehalten durch die Gezeitenwirkung des Jupiter – ein Ozean verbergen“, hält Neukum für möglich.

Die offene Frage nach einem versteckten Wasserozean auf Europa gehört zu den spannendsten Aspekten des Galileo-Unternehmens. Und sie ist auch das wichtigste Motiv, für 2003 den Start einer Europa-Orbiter-Mission zu planen.

Holger Heuseler

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