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Autor: Raumfahrer.net Redaktion / 11. August 2020, 11:09 Uhr

ExoMars: Neue Gassignaturen in der Marsatmosphäre

Marsmissionen der USA, Chinas und der Vereinigten Arabischen Emirate ziehen zur Zeit die Aufmerksamkeit auf sich. Daneben gibt es aber auch Nachrichten aus der Marsforschung, die auf den ersten Blick vielleicht unbedeutend erscheinen. Aber eben nur auf den ersten Blick… Ein Beitrag von Mirko Buggel.

Quelle: ESA, Roskosmos
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K. Olsen et al. (2020)

Bild vergrößernACS-Daten: Kohlendioxid CO2 und Ozon O3 in dem Bereich des Infrarotspektrums
(Bild: K. Olsen et al. (2020))
ESA und Roskosmos meldeten Ende Juli 2020 überraschende Messergebnisse von Bord der russisch-europäischen Sonde ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). Mit Hilfe des hochempfindlichen Spektrometers ACS (Atmospheric Chemistry Suite) wurden Kohlendioxid CO2 und Ozon O3 in dem Bereich des Infrarotspektrums nachgewiesen, wo man eigentlich Methan erwartete. Grundlage ist die Auswertung der Daten eines Marsjahres. Das ist etwa seit Beginn der Arbeit im Marsorbit seit Frühling 2018.

Der TGO war am 14. März 2016 vom russischen Kosmodrom im kasachischen Baikonur mit einer Proton-Rakete gestartet. Während der TGO am 19. Oktober 2016 wie geplant die Bahn um den Mars erreichte, konnte mit der später abgesetzten Landesonde Schiaparelli kein Kontakt hergestellt werden. Mit dieser sollten Landetechniken auf dem Mars für spätere Missionen erprobt werden.
Hauptziel der ExoMars-TGO-Mission ist die Suche nach Spurengasen mit biologischer Signifikanz wie Methan und seine Zersetzungsprodukte. Die Apparaturen des Orbiters sollen es ermöglichen, Ort und Natur von Quellen zu bestimmen, welche diese Gase produzieren. Weiterhin sollen Schlüsseltechnologien getestet werden.

Das im russischen Institut für Weltraumforschung der Akademie der Wissenschaften entwickelte Spektrometer ACS ist eines von vier wissenschaftlichen Instrumenten des TGO und besteht aus dem Fourier-Spektrometer (TIRVIM) für den thermischen Infrarot-Bereich und den Echelle-Spektrometern für den mittleren (MIR) und den nahen (NIR) Infrarotbereich sowie aus einer elektronischen Steuereinheit.

Mit dem Spektrometer MIR wurde eine in der Planetenfernerkundung bewährte Methode angewandt. Aus dem Modus „Sonnenfinsternis“, d.h. der Mars „bedeckt“ die Sonne, analysiert der Apparat das Sonnenlicht, welches am Planetenrand durch die Atmosphäre hindurch schimmert. Dabei absorbieren die verschiedenen atmosphärischen Bestandteile die Sonnenstrahlung und erscheinen im Spektralbild als sogenannte Absorptionsbande. Dort hinterlässt jeder Stoff seinen unverwechselbarer „Fingerabdruck“ im Spektrum. Außerdem kann eine Substanz derselben chemischen Formel mehrere Absorptionsbande haben. Das zeugt von Unterschieden im Molekülaufbau oder verschiedener Isotopenzusammensetzung. Im untersuchten Infrarotbereich von 3,3 µm erwarteten die Forscher Methan. Jedoch zeigten sich Spuren von Wasser- und Kohlendioxid-Molekülen. Letztere bilden den Hauptbestandteil der Marsatmosphäre.

A. Trokhimovskiy et al. (2020

Bild vergrößern CO2 in der Marsatmosphäre (oben gemessen schwarz und Modell blau, unten Unterschied zwischen Messungen und Modell)
(Bild: A. Trokhimovskiy et al. (2020))
Wie Alexander Trochimowski, Mitarbeiter der Abteilung Planetenphysik des russischen Instituts für Weltraumforschung berichtete, glaubte man zuerst an einen Fehler, welcher sich bei der Kalibrierung des Spektrometers eingeschlichen hatte. Aber auch nach sorgfältiger Überprüfung seien diese „Artefakte“ nicht verschwunden, im Gegenteil – es zeigten sich ungefähr 30 Absorptionsbande, deren Lage mit keinen der bisher erhaltenen übereinstimmte. Weiter stellte sich heraus, dass es sich um Erscheinungen in geringen Höhen von weniger als 20 km über der Marsoberfläche handelte. Bis zu diesen Ergebnissen des TGO galt die Absorptionsbande des CO2 in diesem Spektralbereich als ausgeschlossen, da sie so bislang nirgendwo, weder auf der Erde noch im Kosmos, gemessen wurde.

Im Falle Ozon war die Situation ein wenig anders. Der Ozon-Anteil in der Marsatmosphäre ist zwar gering, wurde aber bereits von den Sonden Mariner 7 und 9 in den 1970er Jahren entdeckt und seit dieser Zeit im Wesentlichen im Ultraviolett-Bereich und in Höhen von mehr als 20 km über der Oberfläche beobachtet. Mit Hilfe des MIR-Spektrometers gelang es nun erstmals, Ozon im infraroten Bereich von 3 µm und in geringeren Höhen nachzuweisen. „Beide Absorptionsbande, sowohl des Kohlendioxids als auch des Ozons, befinden sich genau in dem Bereich, wo wir Methan erwartet hatten“, erläuterte Kevin Olsen, Mitarbeiter der Physikalischen Fakultät der Universität Oxford.

ESA

Bild vergrößernmögliche Bildung und Zerstörung von Methan in der Marsatmosphäre - Illustration
(Bild: ESA)
Was wie ein rein akademischer Diskurs anmutet, kann letztendlich zur Beantwortung einer grundsätzlicheren Frage beitragen: Kommt Methan in der Marsatmosphäre vor oder nicht? Denn die Tatsache, dass sich in diesem Spektralbereich Spuren von CO2 befinden, stellt die bisherigen Methoden der Methansuche auf den Prüfstand. Außerdem fördern die neuen Forschungsergebnisse das Verständnis über die Wechselwirkung zwischen CO2 und O3 und mit dem Sonnenlicht und damit das bessere Verständnis chemischer Prozesse in der Marsatmosphäre und führen zu einer höheren Genauigkeit der Messungen.

Der Trace Gas Orbiter setzt seine Arbeit fort. Die nächste Etappe im ExoMars-Programm beginnt im Jahre 2022 mit dem Start der Landeplattform „Kasatschok“ und des Marsrovers „Rosalind Franklin“, welche dann auf der Oberfläche ihre Forschungen aufnehmen sollen. Der TGO soll dabei auch als Relaisstation für die Datenübertragung genutzt werden. Möglicherweise hilft der Blick von zwei Seiten – von „unten“ und von „oben“ - das Rätsel um das Methan und Lebensspuren auf dem roten Planeten zu lösen.

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