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Autor: Ralph-Mirko Richter / 27. Mai 2015, 19:21 Uhr

Siloe Patera - Ein Supervulkan auf dem Mars?

Bereits in der letzten Woche veröffentlichte Aufnahmen der ESA-Raumsonde Mars Express verdeutlichen erneut die geologische Vielfalt unseres äußeren Nachbarplaneten und zugleich die Probleme, welche sich für die Marsforscher bei deren Interpretation ergeben. Bei der Region Siloe Patera könnte es sich durchaus um die Überreste einer Supervulkan-Eruption handeln - oder aber um die Überreste eines profanen Impaktereignisses.

Quelle: FU Berlin, DLR, ESA, Wikipedia
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ESA, DLR, FU Berlin (G. Neukum)

Bild vergrößernDiese Grafik beschreibt die zeitliche Verteilung der fünf vulkanischen Aktivitätsphasen auf dem Mars.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin (G. Neukum))
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 dieser Orbiter den an der Mars Express-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 von Mars Express 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 gewesen sein könnte. Die Mars Express-Mission wird als so erfolgreich eingestuft, dass sie inzwischen bis zum Ende des Jahres 2018 verlängert wurde (Raumfahrer.net berichtete).

Die Schildvulkane des Mars

Mit einem Durchmesser von 6.792 Kilometern ist der Mars nur etwa halb so groß wie unser Heimatplanet. Trotzdem kann unser äußerer Nachbarplanet mit einigen landschaftlichen Superlativen aufwarten, welche in unserem Sonnensystem ihresgleichen suchen. Ein eindrucksvolles Beispiel hierfür sind verschiedene Schildvulkane, welche zu den höchsten bekannten Erhebungen des Sonnensystems zählen und die sich auf dem Mars hauptsächlich in zwei Regionen konzentrieren. Die kleinere dieser beiden Regionen trägt den Namen Elysium Planitia. Verteilt über eine Fläche von rund 2,5 Millionen Quadratkilometern befinden sich hier die Vulkane Apollinaris Patera, Hecates Tholus, Albor Tholus und der etwa 12.500 Meter hohe Elysium Mons.

NASA, JPL-Caltech, Malin Space Science Systems

Bild vergrößernDiese Karte mit den wichtigsten Oberflächenformationen auf dem Mars zeigt auch die Standorte der beiden derzeit auf unserem Nachbarplaneten aktiven Rover der NASA. MER-B steht für den Rover Opportunity, MSL für Curiosity.
(Bild: NASA, JPL-Caltech, Malin Space Science Systems)
Mehrere tausend Kilometer entfernt befindet sich die Tharsis-Vulkanregion, welche eine Fläche von etwa vier Millionen Quadratkilometern bedeckt und die sich wie eine Wulst um durchschnittlich vier Kilometer über die umgebende Marsoberfläche erhebt. Hier befinden sich - neben verschiedenen anderen, kleineren Schildvulkanen die Vulkane Ascraeus Mons, Arsia Mons und Pavonis Mons. Mit Gipfelhöhen von 18, 14 und 12 Kilometer sind auch diese deutlich höher als der höchste Berg der Erde - der 8.848 Meter hohe Mount Everest. Am nördlichen Ende der Tharsis liegt zudem der Vulkan Alba Mons, welcher zwar nur eine Höhe von knapp sieben Kilometern erreicht, der dabei jedoch an seiner Basis über eine Ausdehnung von fast 1.000 Kilometern verfügt.

Besonders beeindruckend ist allerdings der etwas außerhalb der Tharsis-Region gelegene Vulkan Olympus Mons. Mit einer Gipfelhöhe von mehr als 22 Kilometern relativ zu dem umgebenden Gelände und einem Basisdurchmesser von rund 550 Kilometern handelt es sich bei diesem Schildvulkan um die derzeit höchste bekannte Erhebung innerhalb unseres Sonnensystems. Altersbestimmungen von Lavaflüssen legen die Vermutung nahe, dass der Olympus Mons eventuell noch vor etwa zwei Millionen Jahren aktiv gewesen sein könnte.

Die auf die Erforschung des Mars spezialisierten Planetologen gehen allgemein davon aus, dass sich die Tharsis-Region - genauso wie das benachbarte Grabenbruchsystem der Valles Marineris - bereits vor rund 3,5 Milliarden Jahren während des geologischen Mittelalters des Mars, der sogenannten Hesperianischen Epoche, gebildet hat. Die äußere Kruste des Mars wurde zu dieser Zeit durch im Marsinneren auftretende Kräfte aufgewölbt, was zu massiven Oberflächenspannungen führte. Während der verschiedenen geologischen Aktivitätsphasen wurden gewaltige Mengen von Lava an die Oberfläche des Planeten befördert. Diese Lavamassen schichteten sich zu den besagten Schildvulkanen auf.

Wikipedia

Bild vergrößernEine schematische Darstellung des Yellowstone-Supervulkans im US-Bundesstaat Wyoming.
(Bild: Wikipedia)
Supervulkane

Allerdings deuten verschiedene Anzeichen darauf hin, dass in der Vergangenheit neben den hier erwähnten Schildvulkanen auch eine andere Art von Vulkanen - nämlich sogenannte Supervulkane - auf dem Mars aktiv gewesen sein könnten.

Supervulkane - so weiß man durch geologische Untersuchungen auf unserem Heimatplaneten - bilden bei ihren extrem explosiv verlaufenden Ausbrüchen keinen typischen Vulkankegel, sondern hinterlassen vielmehr große Einsturzkessel - sogenannte Calderen. Bedingt durch die über lange Zeiträume zunehmende Anreicherung von Gasen in der Magmakammer eines Supervulkans hebt sich das Vulkangebiet an und schließlich tritt Magma an weit voneinander entfernt gelegenen Stellen aus dem Untergrund hervor. Durch die dabei erfolgende Anhebung des Bodens entsteht um die Magmakammer herum ein ringförmig verlaufender Riss im Untergrund. Der innenliegende Teil dieses "Deckels" sinkt dabei in die sich entleerende Magmakammer ab. Zurück bleibt die typische Caldera eines Supervulkans.

NASA, JPL, MOLA Science Team, FU Berlin

Bild vergrößernEine topografische Karte der Umgebung des Siloe Patera auf dem Mars. Der durch die HRSC-Kamera am 26. November 2014 abgebildete Bereich ist umrahmt.
(Bild: NASA, JPL, MOLA Science Team, FU Berlin)
Die Magmakammern, welche sich unter diesen Supervulkanen befinden, sind im Vergleich zu 'normalen' Vulkanen sehr groß und verfügen über ein Volumen von mindestens 1.000 Kubikkilometern. Ausbrüche von Supervulkanen erfolgen auf der Erde nur sehr selten und wurden in historischer Zeit noch nicht beobachtet. Allerdings ist bekannt, dass ihre Auswirkungen katastrophal sind und aufgrund der dabei freigesetzten gewaltigen Mengen an Lava und vulkanischer Asche sehr wahrscheinlich den gesamten Planeten betreffen. Das wohl bekannteste Beispiel für einen solchen Supervulkan auf der Erde bildet der Yellowstone-Vulkan, dessen Caldera über eine Ausdehnung von etwa 80 x 55 Kilometern verfügt.

Die Region Siloe Patera auf dem Mars

Vergleichbare Strukturen befinden sich allerdings auch auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten - und dort speziell im Bereich des Region Arabia Terra. Bei dem Arabia Terra handelt es sich um einen Teilbereich der Hochlandregion unseres Nachbarplaneten, welche eine Übergangsregion zu den angrenzenden nördlichen Tiefebenen des Mars darstellt.

Eine der dort aufzufindenden Oberflächenstrukturen wurde mit dem Namen Siloe Patera (benannt nach dem spanischen Bildhauer und Architekten Diego de Siloé) belegt. Hierbei handelt es sich um eine nahezu kreisrunde Vertiefung mit einer Abmessung von etwa 40 Kilometern Länge und 30 Kilometern Breite. Innerhalb dieser Vertiefung befindet sich eine weitere, ebenfalls runde Senke. Unter anderem aufgrund dieses äußeren Erscheinungsbildes wird Siloe Patera von einigen Marsforschern als die Caldera eines Supervulkans interpretiert.

Am 26. November 2014 überflog der Orbiter Mars Express Siloe Patera während des Orbits Nummer 13.837 und bildete diese bei etwa 36 Grad nördlicher Breite und sechs Grad östlicher Länge gelegene Struktur dabei mit der High Resolution Stereo Camera (kurz "HRSC") - der Hauptkamera an Bord des Marsorbiters - aus einer Überflughöhe von mehreren hundert Kilometern mit einer Auflösung von etwa 24 Metern pro Pixel ab.

Siloe Patera - Supervulkan oder Impaktkrater-Strukturen?

Auf diesen Aufnahmen sind verschiedenen Merkmale erkennbar, welche zwar für die "Supervulkan-Theorie" sprechen, die aber von der Fachwelt nach wie vor kontrovers diskutiert werden.

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

Bild vergrößernDiese Farbaufnahme wurde aus dem hochauflösenden Nadirkanal und den Farbkanälen der HRSC-Kamera an Bord der Raumsonde Mars Express erstellt und zeigt einige der landschaftlichen Besonderheiten, welche von mehreren Wissenschaftlern als das Ergebnis des Ausbruchs eines Supervulkans interpretiert werden. Die Morphologie der Struktur deutet auf eine entleerte, riesige Magmakammer unter Siloe Patera hin, in die der Krusten-"Deckel" hineinsackte, wodurch sich eine Caldera bildete. Auch gibt es weder einen Zentralberg im Zentrum des Kraters, noch einen markanten Wall von Auswurfmaterial. Andererseits sind auch mehrere landschaftliche Merkmale vorhanden, welche mit einem "gewöhnlichen" Einschlagskrater erklärt werden könnten.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin - CC BY-SA 3.0 IGO)
Für einen Supervulkan sprechen im Bereich von Siloe Patera zum Beispiel diverse Spuren von Rissen in der Planetenoberfläche. Das Gebiet ist zudem relativ flach und es finden sich anscheinend 'zerfetzte' geschichtete Ablagerungen. Außerdem fehlen der Struktur Siloe Patera einige der typischen Merkmale eines größeren Impaktkraters wie zum Beispiel ein Zentralberg im Inneren der Kraterstruktur. Auch das Fehlen eines ausgeprägten Kraterrandes wurde als Argument gegen die Impakttheorie herangeführt. Allerdings - so die 'Gegenseite' - finden sich auch auf dem Mars zahlreiche Beispiele von Impaktkratern, deren Ränder im Laufe der Zeit längst von der allgegenwärtigen Erosion beseitigt wurden.

Die aktuellen Daten der HRSC-Kamera zeigen, dass die Vertiefung von Siloe Patera 1.750 Meter unter die den Krater umgebenden Ebenen reicht. In ihr befindet sich eine zweite Vertiefung, welche nochmals etwa 700 Meter in die Tiefe führt. Die Flanken der innenliegenden, kleineren Vertiefung sind sehr steil. Das ist zwar untypisch für eine Einschlagsstruktur, könnte andererseits aber tatsächlich mit einem zu einen späteren Zeitpunkt erfolgten, kleineren Einschlag in den schon vorhandenen größeren Krater erklärt werden.

Die gesamte Struktur ist von mehreren kleineren Kanälen und Rinnen umgeben, welche teilweise in die Vertiefung münden. An der Südspitze der Vertiefung ist zudem eine Talstruktur erkennbar, die an sogenannte "sapping valleys" erinnern. Diese Formationen könnten durch das Schmelzen von größeren Mengen an Wassereis, welches ursprünglich unter der Marsoberfläche vorhanden war, entstanden sein. Der im Rahmen eines solchen Prozesses ansteigende Grundwasserspiegel führte dazu, dass das Wasser schließlich die Planetenoberfläche erreichte und dort austrat. Beim Abfließen des Schmelzwassers wurden durch eine Klifferosion Täler ausgeschürft.

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

Bild vergrößernAus den digitalen Geländemodellen der HRSC-Bilddaten lassen sich auch perspektivische Ansichten der Marsoberfläche ableiten. Unabhängig von der Diskussion, ob Siloe Patera das Überbleibsel eines marsianischen Supervulkans ist oder ob es sich hierbei um einen gewöhnlichen Impaktkrater handelt zeigt diese Perspektive, dass einstmals Wasser durch kleine Täler in das Innere der Vertiefung geströmt ist.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin - CC BY-SA 3.0 IGO)
Bei einem solchen Prozess tritt das Wasser an den Seiten von Abhängen und Geländekanten in Form von Sickerwasser und Quellen aus dem Boden aus. Dabei wird der Abhang ausgehöhlt. Durch das Nachrutschen von Oberflächenmaterial, wodurch die zuvor entstandenen Aushöhlungen wieder verfüllt werden, "wandert" die Erosionskante immer weiter nach hinten. Der folgende Kliffabbruch führt schließlich zur Entstehung von steilen, U-förmigen Talstrukturen. Das erodierte Material wird dabei durch das fließende Wasser entlang des sich bildenden Talverlaufs abtransportiert. Hierbei entsteht ebenfalls ein scharfer Rand, welcher allerdings an manchen Stellen etwas angehoben ist.

Unmittelbar neben dieser talförmigen Vertiefung befindet sich ein Gebiet mit einer Ausdehnung von etwa 20 x 20 Kilometern, welches eine Vielzahl kleinerer, verzweigter Abflusskanäle beherbergt. Hierbei könnte es sich um eine erkaltete Lavadecke handeln - oder aber um die Ejektadecke eines Einschlagskraters.

Sehr wahrscheinlich werden die auf die Erforschung des Mars spezialisierten Planetolgen noch viele weitere Datensätze benötigen, um die Entstehungsgeschichte der Region Siloe Patera zu entschlüsseln. Einerseits wurden die hier zu beobachtenden Ablagerungen in der Fachliteratur als die Überreste eines möglichen gasreichen und extrem heißen pyroklastischen Stroms beschrieben. Die lobenförmigen Ränder des Siloe Patera zeigen andererseits aber auch Ähnlichkeit mit Auswurfdecken, welche sich bei kleineren Einschlagskratern bilden. Derartige asymmetrisch geformte Auswurfdecken bilden sich bei Impakten mit einem Einschlagswinkel von weniger als 15 Grad.

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

Bild vergrößernAus den Stereo-Bilddaten des HRSC-Kameraexperiments lassen sich digitale Geländemodelle ableiten, welche jedem Bildpunkt auf der Marsoberfläche einen Höhenwert zuordnen. Das Bezugsniveau für die Höhenwerte ist das sogenannte Areoid - eine gedachte Fläche gleicher Anziehungskraft, die dem Meeresspiegel auf der Erde entspricht. Anhand der Farbskala rechts oben im Bild lässt sich die Verteilung der Höhenwerte anschaulich ablesen. So lassen sich auch gut die hier gegebenen unterschiedlichen Kratertiefen erkennen. Deutlich ist die etwa 1.750 Meter tiefe Senke, in der sich eine zweite, nochmals 700 Meter tiefer gelegene Absenkung befindet, zu erkennen.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin - CC BY-SA 3.0 IGO)
Nach der Meinung der Verfechter der Supervulkan-These finden sich auf dem Mars genügend Anzeichen, welche diese stützen. Neben den hier bereits erwähnten Argumenten könnten auch die in der Äquatorregion des Mars weit verbreitet auftretenden 'zerfetzten Ablagerungen' von feinkörnigem, geschichteten sulfathaltigem Gestein und Tonmineralen angeführt werden, welche durch die Gewalt einer explosiven Eruption eventuell über das ganze Arabia Terra verteilt wurden. Deren Vorkommen konnte bisher noch nicht schlüssig erklärt werden. Ein Ansatz hierfür wäre die Annahme enormer vulkanischer Zentren. Dadurch ließen sich die Entstehung solcher Ablagerungen und zugleich die Perioden globaler Erwärmung auf dem Mars erklären.

Bildverarbeitung und HRSC-Kamera

Die weiter oben gezeigte Nadir-Farbansicht von Siloe Patera 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. Ein 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.

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 der Verwendung einer Rot-Blau- oder Rot-Grün-Brille einen realistischen, dreidimensionalen Blick auf die Landschaft ermöglichen. Damit lassen sich auch subtile Höhenunterschiede gut erkennen.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin - CC BY-SA 3.0 IGO)
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-Aufnahmen 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.

Mitarbeiter des DLR, der FU Berlin und der Universität Hannover haben erst kürzlich im Rahmen eines gemeinsamen Projekts aus den Einzelaufnahmen der HRSC-Kamera zusammenhängende Bildmosaike der Marsoberfläche erstellt. Aus den Bilddaten der HRSC wurde dabei eine Karte der Region Arabia Terra berechnet, welche ein etwa 1.800 mal 1.300 Kilometer großes Gebiet mit einer Fläche von 2,3 Millionen Quadratkilometern wiedergibt. Weitere Informationen zu diesem Projekt finden Sie hier.

Die in diesem Bericht gezeigten Aufnahmen von Siloe Patera finden Sie dagegen 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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