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Autor: Ralph-Mirko Richter / 24. Januar 2015, 16:48 Uhr

Mars Express: Das Grabenbruchsystem Nili Fossae

Bereits am vergangenen Donnerstag veröffentliche Aufnahmen der Raumsonde Mars Express zeigen die Region Nili Fossae in der Äquatorregion des Mars. Dieses Grabensystem entstand wahrscheinlich im Zusammenhang mit dem Einschlag eines Asteroiden, welcher zur Bildung des benachbarten Isidis-Impaktbeckens geführt hat.

Quelle: FU Berlin, DLR, ESA
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NASA, JPL, MOLA Science Team, FU Berlin

Bild vergrößernEine topografische Karte der am 16. Dezember 2014 durch die HRSC-Kamera abgebildeten Region Nili Fossae.
(Bild: NASA, JPL, MOLA Science Team, FU Berlin)
Bereits seit dem 25. Dezember 2003 befindet sich die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Mars Express in einer Umlaufbahn um den Mars. Seitdem liefert der Marsorbiter den an dieser Mission beteiligten Wissenschaftlern regelmäßig eine Vielzahl an Bildaufnahmen und weitere Daten über die Atmosphäre und die Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten, durch deren Auswertung sich für die Planetenforscher wertvolle Einblicke in dessen Entwicklungsgeschichte ergeben. Die sieben wissenschaftlichen Instrumente an Bord des Marsorbiters liefern dabei wichtige Beiträge zur Untersuchung der Oberflächengeologie sowie zur 'Geschichte des Wassers' auf unserem Nachbarplaneten und damit auch zur Klärung der Frage, ob einstmals 'Leben auf dem Mars' möglich war. Die Mission wird als so erfolgreich eingestuft, dass sie inzwischen bis zum Ende des Jahres 2018 verlängert wurde (Raumfahrer.net berichtete).

Am 16. Dezember 2014 überflog Mars Express während des Orbits Nummer 13.699 den nördlichen Bereich des "Nili Fossae" und bildete diese Region mit der High Resolution Stereo Camera (kurz "HRSC"), der Hauptkamera an Bord des Marsorbiters, ab. Aus einer Überflughöhe von mehreren hundert Kilometern erreichte die HRSC dabei eine Auflösung von ungefähr 18 Metern pro Pixel. Die bei dieser Gelegenheit angefertigten Aufnahmen geben einen bei etwa 24 Grad nördlicher Breite und 75 Grad östlicher Länge gelegenen Abschnitt der Marsoberfläche wieder.

Das Grabenbruchsystem der Nili Fossae

Bei den Nili Fossae (zu deutsch die 'Gräben des Nil') handelt es sich um ein ausgedehntes Grabenbruchsystem, welches sich am nordöstlichen Rand der Marsebene Syrtis Major befindet. Diese Hochebene wurde erstmals von dem niederländischen Naturforscher Christiaan Huygens, einem der führenden Physiker und Mathematiker des 17. Jahrhunderts, registriert. Bei der Beobachtung unseres äußeren Nachbarplaneten entdeckte dieser im Jahr 1659 eine dunkle, dreieckige Zone in der Äquatorregion des Mars, welche er mit dem Namen Syrtis Major belegte. Im Verlauf seiner weiteren Beobachtungen berechnete Christiaan Huygens die Eigenrotation des Mars aufgrund der Positionsveränderungen von Syrtis Major auf einen Wert von 24,5 Stunden. In Anbetracht der damaligen eher einfachen Beobachtungsmittel ist dieses Ergebnis durchaus bemerkenswert - mit Hilfe moderner Beobachtungsmethoden konnte die Rotationsperiode des Mars in der Neuzeit auf einen Wert von 24 Stunden, 37 Minuten und 22 Sekunden festgelegt werden.

ESA, DLR, FU Berlin; CC BY-SA 3.0 IGO

Bild vergrößernDiese senkrechte Draufsicht zeigt, dass die Region Nili Fossae stark vom Wind geprägt ist. Neben der von eisenreichen Mineraloxiden typisch ockerfarben getönten Marsoberfläche sind weite Gebiete von sehr dunklem Material bedeckt. Vermutlich handelt es sich dabei um vulkanische Asche oder zu Sand und Staub verwitterte dunkle Vulkangesteine, welche an anderer Stelle vom Wind aufgenommen und hier wieder abgelagert wurden. Darauf deutet auch hin, dass dieses Material in Senken und an vom Wind geschützten lee-seitigen Bereichen in erhöhter Konzentration vorhanden ist. Norden befindet sich rechts im Bild.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin; CC BY-SA 3.0 IGO)
Südöstlich der Nili Fossae befindet sich das Isidis-Impaktbecken. Das aus mehreren Grabenbrüchen bestehende Nili Fossae, welches in seiner Gesamtheit eine Länge von rund 670 Kilometern aufweist, verläuft fast parallel zu dem nordwestlichen Rand dieses etwa 1.200 Kilometer durchmessenden Einschlagbeckens, wobei die einzelnen Gräben ein konzentrisches Muster bilden. Eine von den Planetenwissenschaftlern favorisierte Theorie geht davon aus, dass die Entstehung des Nili Fossae unmittelbar mit dem Impakt in Zusammenhang steht, welcher für die Bildung des Isidis-Bassins verantwortlich war.

Das Grabenbruchsystem der Nili Fossae zeichnet durch seine halbkreisförmige Krümmung den nordöstlichen Rand dieses Einschlagsbeckens nach. Es handelt sich somit um Brüche in der Marskruste, welche unmittelbar nach dem Isidis-Impakt als Folge der Setzungsbewegungen in der Planetenkruste durch Dehnungsspannungen entstanden sind. Als das mehrere Kilometer tiefe Isidis-Becken durch die Auflast von schweren, eisenreichen Lavamassen weiter abgesenkt wurde, kam es im Kraterrand zu starken Dehnungsspannungen und einem Aufbrechen der Kruste. Ähnliche Spannungsbrüche sind auf der gegenüberliegenden Seite des Einschlagsbeckens in Form der Amenthes Fossae, sozusagen dem 'Gegenstück' der Nili Fossae, erkennbar.

Das Isidis Planitia war als Landstelle für den von der Raumsonde Mars Express mitgeführten Marslander Beagle 2 vorgesehen, deren Schicksal jedoch seit dem Abtrennen von dem Orbiter am 19. Dezember 2003 ungewiss war. Erst kürzlich gelang es, den Lander auf Aufnahmen zu entdecken, welche die an Bord des NASA-Marsorbiters Mars Reconnaissance Orbiter (kurz MRO) befindliche HiRISE-Kamera angefertigt hat (Raumfahrer.net berichtete).

ESA, DLR, FU Berlin; CC BY-SA 3.0 IGO

Bild vergrößernEin von Südosten in die nordwestliche Richtung zeigender Blick über die Region Nili Fossae. Nili Fossae ist nicht zuletzt wegen seiner vielfältigen Mineralogie ein interessantes Gebiet für die Marsforschung. Im Laufe der geologischen Entwicklung des Mars wandelten sich die Minerale der ursprünglich hier vorhandenen Gesteine durch den Einfluss von Wasser, welches über die Oberfläche floss, aber auch durch Spalten und Risse in der Gesteinskruste zirkulierte, immer wieder um.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin; CC BY-SA 3.0 IGO)
Das Isidis Planitia ist zum einen von dem intensiven Vulkanismus geprägt, der in dessen Frühzeit weite Oberflächenbereiche auf unserem Nachbarplaneten umgestaltete. Zum anderen dürften dort aus ehemaligen Flusstälern abgelagerte Sedimente anzutreffen sein, welche von fließendem Wasser bis in die Niederungen des Beckens transportiert wurden. Die von verschiedenen Marsorbitern mitgeführten Instrumente haben in den vergangenen Jahren gezeigt, dass die Mineralogie des Isidis Planitia sehr vielseitig ist. Aber auch das Nili Fossae kann mit einigen Besonderheiten aufwarten.

Eine vielfältige Mineralogie und Spuren von Methan

Im Jahr 2008 gelang so zum Beispiel mit einem weiteren Instrument des Marsorbiters MRO - bei dem betreffenden Instrument handelt es sich um das CRISM-Spektrometer (kurz für "Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars"), einem bildgebenden Spektrometer für die Erkennung von Mineralen auf der Marsoberfläche - im Bereich des Nili Fossae der Nachweis eines Karbonatvorkommens. Es wird vermutet, dass sich die dort befindlichen Carbonate im Rahmen einer Serpentinisierung bei einer lokal begrenzten chemischen Reaktion von olivinhaltigen Gesteinen mit kohlensäurehaltigem Wasser gebildet haben.

Des weiteren gelang in der Vergangenheit der Nachweis von Tonmineralen - sogenannten Phyllosilikaten, in deren Kristallstruktur Wassermoleküle eingebaut sind - und von amorphen Silikaten. Im Verlauf der Marsgeschichte wandelten sich die Minerale der ursprünglich dort vorhandenen Gesteine durch den Einfluss von Wasser immer wieder um. Dieses Wasser floss vermutlich nicht nur direkt über die Marsoberfläche, sondern wirkte in Form von vulkanisch erwärmten, hydrothermalen Lösungen auch in Hohlräumen unter der Oberfläche, wo es durch Spalten zirkulierte. Die diversen unterschiedlichen Minerale, welche in dieser Landschaft identifiziert wurden, machten die Nili Fossae in den letzten Jahren zu einem wichtigen Ziel für die Untersuchungen der verschiedenen Marsorbiter, welche hierzu mit verschiedenen Spektrometern ausgestattet sind.

NASA

Bild vergrößernFrühere Untersuchungsergebnisse zeigten, dass auf dem Mars Methan freigesetzt wird. Die dabei registrierten "Hot Spots" konzentrierten sich auf drei Regionen in der Nähe des Marsäquators. Eine der 'Quellregionen' befindet sich im Bereich der Nili Fossae.
(Bild: NASA)
Das Nili Fossae hat sich in der Vergangenheit aber noch aus einem anderen Grund als interessant für die Planetenforscher erwiesen. Anfang des Jahres 2003 gelang einem von Dr. Michael Mumma vom Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA geleitetem Team der Nachweis von geringen Mengen an Methan in der Marsatmosphäre. Diese Messungen, welche mittels spektroskopischer Untersuchungen unter der Verwendung verschiedener irdischer Großteleskope gelangen, konnte im Jahr 2004 durch Messungen von Mars Express bestätigt werden (Raumfahrer.net berichtete).

Die Messungen deuteten darauf hin, dass das Methan zum Messzeitpunkt nicht gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt war. Vielmehr konzentrierte es sich auf eine 2.500 Kilometer durchmessende Region in der Nähe des Marsäquators. Laut den Berechnungen der beteiligten Wissenschaftler wurden dabei in den Regionen Terra Sabaea, Syrtis Major und Nili Fossae etwa 19.000 Tonnen des Gases freigesetzt. Die Freisetzung des Methan muss dabei erst kurz zuvor erfolgt sein, denn unter den in der Marsatmosphäre vorherrschenden Bedingungen wird dieses Gas relativ schnell unter anderem durch die fast ungehindert auf den Planeten einfallende UV-Strahlung in seine einzelnen chemischen Bestandteile zerlegt. Auch die auf der Marsoberfläche anscheinend weitläufig vorhandenen Perchlorate sind durch ihre aggressiven Eigenschaften für den relativ schnell erfolgenden Abbau von organischen Verbindungen - und somit auch für den Abbau von Methan - verantwortlich.

Tritt auf dem Mars Methan in erhöhter Konzentration auf, so sollte dies ein Hinweis darauf sein, dass dort eine 'Quelle' existiert, welche regelmäßig neues Methan an die Atmosphäre abgibt. Hierfür denkbar sind hier zum einen verschiedene geologische Prozesse wie zum Beispiel die Reste einer vulkanischen Aktivität in der Marskruste. Methan entsteht auf der Erde - als Stoffwechselprodukt von Organismen - aber auch auf rein biologischem Weg. Ein biologischer Ursprung für das Methan auf dem Mars ist zwar eine reine Spekulation, kann allerdings auch nicht endgültig ausgeschlossen werden. Erst kürzlich gelang auch dem Marsrover Curiosity der Nachweis von geringen Mengen an Methan (Raumfahrer.net berichtete).

ESA, DLR, FU Berlin; CC BY-SA 3.0 IGO

Bild vergrößernAus den Stereobilddaten der HRSC-Kamera können auch topographische Geländemodelle abgeleitet werden. Auf diese Weise lassen sich die Höhenunterschiede in der abgebildeten Landschaft auch bildlich darstellen. Die Höhenunterschiede zwischen den tiefsten Punkten (dunkelblau) und den am höchsten gelegenen Regionen (hellgrau/beige) betragen etwa 3.000 Meter. In dieser Darstellung zeichnet sich ein knapp hundert Kilometer langer, fast geradlinig verlaufender Teil eines der Täler von Nili Fossae deutlich ab (links unten). Auch das topographische Profil der verschiedenen Einschlagskrater im benachbarten Hochland tritt in dieser Darstellung deutlich hervor.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin; CC BY-SA 3.0 IGO)
Wasserdampfexplosionen

Auf den Aufnahmen, welche der Orbiter Mars Express am 16. Dezember 2014 anfertigte, ist ein Teilbereich des am weitesten im Osten gelegenen bogenförmigen Grabens der Nili Fossae zu erkennen, der über eine Breite von rund 20 Kilometern und über eine Tiefe von etwa 1.000 Metern verfügt. Die Abhänge, welche dieses Tal begrenzen, sind auffallend steil und geben ihm ein kastenförmiges Profil. Stellenweise sind in den Abhängen zudem einzelne Schichtungen im Gestein erkennbar.

Die Hochfläche ist dagegen von mehreren Senken geprägt, von denen manche in Verbindung mit dem Hauptgraben stehen. Diese Formationen erinnern an Täler mit einer rückschreitenden Erosion. Die rückschreitende Erosion wird in solchen Tälern durch Grundwasser verursacht, welches unter der Geländekante am hinteren Talende austritt. Die dadurch entstehenden Hohlräume stürzen ein und das erodierte Material wird durch fließendes Wasser entlang des Talverlaufs abtransportiert. So schneidet sich die Wasserquelle mit dem immer länger werdenden Tal langsam in das bestehende Plateau ein.

In den rechten Bildhälften der verschiedenen Draufsichten ist ein großer Impaktkrater mit einem Durchmesser von etwa 55 Kilometern sichtbar, in dessen Inneren sich eine rund zweihundert Meter tiefe Kuhle befindet. Diese Kuhle ist von einem Ring aus Material umgeben, welches offensichtlich aus dieser Vertiefung stammt. Die Entstehung dieser Struktur, so die Marsforscher, lässt sich mit einer Wasserdampfexplosion erklären. Bei dem Impakt, durch den dieser Krater entstand, wurde Wärmeenergie freigesetzt, durch welche im Untergrund befindliches Wasser oder Eis schlagartig erhitzt wurde und verdampfte. Der Wasserdampf dehnte sich aus und es kam zu einer unterirdischen Explosion, deren Energie sich ihren Weg in Richtung Planetenoberfläche bahnte. Im Rahmen eines solchen Prozesses wird die Kruste zerrüttet, teilweise sogar durchbrochen und ein solches Loch verursacht. Eine große Menge des durchstoßenen Gesteins wird nach oben geschleudert und anschließend wieder in der Umgebung abgelagert.

ESA, DLR, FU Berlin; CC BY-SA 3.0 IGO

Bild vergrößernAus dem senkrecht auf die Marsoberfläche gerichteten Nadirkanal der HRSC-Kamera und einem der vier Stereokanäle lassen sich sogenannte Anaglyphenbilder erstellen, welche bei Verwendung einer Rot-Blau- oder Rot-Grün-Brille einen realistischen, dreidimensionalen Blick auf die Landschaft ermöglichen. Im Südosten der Region (links unten) ist einer der etwas mehr als 1.000 Meter tiefen, grabenartigen Täler von Nili Fossae mit seinem markanten, kastenförmigen Profil zu erkennen. Besonders markant treten auch die Krater in dieser Region hervor. Der große Krater rechts zeigt in seinem Zentrum eine von Hügeln umgebene Vertiefung, die vermutlich auf eine Wasserdampf-Explosion im Zuge seiner Entstehung zurückzuführen ist.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin; CC BY-SA 3.0 IGO)
Bildverarbeitung und HRSC-Kamera

Die weiter oben gezeigte Nadir-Farbansicht der Nili Fossae wurde aus dem senkrecht auf die Marsoberfläche blickenden Nadirkanal und den vor- beziehungsweise rückwärts blickenden Farbkanälen der HRSC-Stereokamera erstellt. Die perspektivische Schrägansicht wurde aus den Aufnahmen der Stereokanäle der HRSC-Kamera berechnet. Das nebenstehende Anaglyphenbild, welches bei der Verwendung einer Rot-Blau- oder Rot-Grün-Brille einen dreidimensionalen Eindruck der Marslandschaft vermittelt, wurde aus dem Nadirkanal und einem der vier Stereokanäle der Kamera abgeleitet. Des Weiteren konnten die für die Bildauswertung zuständigen Wissenschaftler aus einer höhenkodierten Bildkarte, welche aus den Nadir- und Stereokanälen der HRSC-Kamera errechnet wurde, ein digitales Geländemodell der abgebildeten Marsoberfläche ableiten.

Das HRSC-Kameraexperiment an Bord der ESA-Raumsonde Mars Express wird vom Principal Investigator (PI) Prof. Dr. Ralf Jaumann geleitet. Das für die HRSC-Kamera verantwortliche wissenschaftliche Team besteht derzeit aus 52 Co-Investigatoren, welche von 34 Instituten aus elf Ländern stammen.

Die hochauflösende Stereokamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter der Leitung von Prof. Dr. Gerhard Neukum entwickelt und in Kooperation mit mehreren industriellen Partnern (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH) gebaut. Sie wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben. Die systematische Prozessierung der Bilddaten erfolgt am DLR. Die Darstellungen der hier gezeigten Mars Express-Bilder wurden von den Mitarbeitern der Fachgruppe "Planetologie und Fernerkundung" des Instituts für Geologische Wissenschaften der FU Berlin in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof erstellt.

Die hier gezeigten Aufnahmen der Nili Fossae finden Sie auch auf den entsprechenden Internetseiten des DLR und der FU Berlin. Speziell in den dort verfügbaren hochaufgelösten Aufnahmen kommen die verschiedenen Strukturen der Marsoberfläche besonders gut zur Geltung.

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