Mars Phoenix Lander – Die ersten Resultate (Teil 2)

Nach seiner Landung am 25. Mai 2008 untersuchte der Marslander Phoenix fünf Monate lang die nördliche Polarregion des Mars, bevor die Mission am 10. November 2008 offiziell für beendet erklärt wurde. Welche neuen Erkenntnisse konnten die Wissenschaftler dabei über die Meteorologie unseres Nachbarplaneten gewinnen?

Autor: Ralph-Mirko Richter

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Phoenix-Mission lag in der Untersuchung der meteorologischen Bedingungen an der Landestelle. Phoenix versprach hier im Vorfeld der Mission besonders wertvolle Erkenntnisse liefern zu können, da die Landezone im Vastitas Borealis, der nördlichen Tiefebene des Mars, bei 68,22 Grad nördlicher Breite und somit innerhalb des Polarkreises lag. Übertragen auf die Erde entspricht dies einer Landung im nördlichen Skandinavien. Die verschiedenen Wetterphänomene, speziell die Wolkenbildung, sind auf dem Mars vor allem in den polaren Regionen sehr stark ausgeprägt. Außerdem sollte die Veränderung der Wetterlage beim Wechsel der Jahreszeiten vom Marssommer zum Herbst dokumentiert werden. Bei dem zur Wetteruntersuchung eingesetzten Instrument handelte es sich um eine von der kanadischen Weltraumagentur CSA betriebene Wetterstation.

An einem Mast befanden sich spezielle Sensoren, welche regelmäßig in 145, 170 und 220 Zentimetern Höhe über dem Boden die Temperatur der Marsatmosphäre aufzeichneten. Bei diesen Sensoren handelte es sich um sogenannte Thermoelemente, eine Technologie, welche bereits erfolgreich bei den früheren Marsmissionen Viking und Pathfinder eingesetzt wurde. Ein Thermoelement ist ein Bauteil, welches aus zwei unterschiedlichen Metallen, in diesem Fall wurden dazu Chrom und Konstantan verwendet, besteht. Die beiden Metalle sind an einem Ende miteinander verbunden. An dieser Verbindungsstelle entsteht dabei eine sogenannte Berührungsspannung, welche von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Durch die Messung dieser Spannung ist die Bestimmung der Umgebungstemperatur möglich.

An der Spitze des Mastes war zusätzlich eine Wetterfahne, ein einfaches Schwingpendel, montiert. Hierbei handelte es sich um ein 20 Gramm schweres Gewicht aus Kapton, welches an einem Faden aus Kevlar-Fasern befestigt war und durch den Wind in Schwingungen versetzt wurde. Dieses Pendel lieferte Daten über Windgeschwindigkeiten und -richtung. Die direkte Abbildung des Pendels durch eine Kamera wurde dabei zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit genutzt. Unterhalb des Pendels befindet sich zudem ein um 45 Grad gekippter Spiegel. Dadurch war die Auslenkung des Pendels in die verschiedenen Richtungen erfassbar, wodurch zusätzlich auch die Windrichtung bestimmt werden konnte.

In der nebenstehenden Animation erkennt man einen plötzlichen Ausschlag des Schwingpendels. Nähere Analysen ergaben, dass der Wind zum Aufnahmezeitpunkt mit etwa sieben Metern pro Sekunde aus westlicher Richtung wehte. Ein plötzlicher und nur kurzzeitiger Anstieg der Windgeschwindigkeit auf 11 Meter pro Sekunde, verbunden mit einer Änderung der Windrichtung auf Süd, wird von den die Daten auswertenden Wissenschaftlern als die mögliche Passage einer Windhose interpretiert. Die Einzelbilder dieser Animation wurden am 12. Oktober 2008, dem Sol 136 der Mission, aufgenommen.

Ebenfalls an Bord des Landers befand sich ein sogenanntes LIDAR. Hierbei handelt es sich um eine dem RADAR verwandte Methode zur Entfernungsmessung und zur Fernbestimmung verschiedener atmosphärischer Parameter. Statt, wie bei einem RADAR, Funkwellen, sendet ein LIDAR jedoch energiereiche Laserimpulse aus. Mit diesem Gerät war es möglich, durch die Messung der Laufzeit und der Intensität des reflektierten Laser-Strahls Informationen über den vertikalen Aufbau und den Energiefluss in der nordpolaren Marsatmosphäre und die Verteilung und Größe von Staub und Eispartikeln bis in eine Höhe von über zehn Kilometern zu gewinnen. Die Studie der Staub- und Eispartikel erlaubt Aussagen über die Bildung, Bewegung und Lebensdauer von Wolken, Nebel und Staubstürmen, was wiederum unser Verständnis der dynamischen Prozesse in der Marsatmosphäre verbessert.

Die Daten der Wetterstation und des LIDAR wurden mit den Aufnahmen einer Stereokamera vervollständigt. Durch deren Abbildung der Sonnenscheibe und die so erfolgte Messung der Lichteinstrahlung wurden weitere Daten über die in der Atmosphäre enthaltene Staubteilchen und Eiskristalle gewonnen. Speziell handelte es sich dabei um deren Menge und Verteilung. Durch Aufnahmen im nahen Infrarotbereich konnte zudem der Wasser-Gehalt in der Atmosphäre ermittelt werden. All diese Daten konnten mit den Messungen der drei aktiven Marsorbiter von NASA und ESA zeitlich und räumlich in einen Kontext gesetzt werden, was das Verständnis des marsianischen Wettergeschehens in dessen Nordpolregion noch weiter verbesserte.

Ein weiteres Phoenix-Instrument, das TECP, war in der Lage, die thermischen Eigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit des Bodens und der Luft in Bodennähe zu untersuchen. Die Analyse der gewonnenen Daten bestätigte die Vermutung, dass es in der nordpolaren Region infolge von Sublimation und Resublimation zu einem täglichen Austausch von Wasser zwischen Marsatmosphäre und Boden kommt und dass der Boden über Nacht Wasserdampf adsorbiert. Als Speichermedien im Boden kommen hierbei bereits vorhandenes Wassereis, Kristallwasser in verschiedenen Salzen und an Sandkörnern adsorbiertes Wasser in Frage.

Ein von zwei speziellen Sensoren in Höhen von fünf und 100 Zentimetern über der Oberfläche ermittelte Druck des Wasserdampfes betrug in diesen Höhen zwischen etwa 10:00 Uhr und 17:00 Uhr Ortszeit durchgehend rund 1,8 Pascal. Dieses Resultat ist soweit überraschend, da der Druck theoretisch bis etwa 14:00 Uhr parallel zum Temperaturanstieg der umgebenden Luft hätte ansteigen sollen. Vielmehr tritt stattdessen jedoch ein dynamisches Gleichgewicht der bodennahen Wasserdampfkonzentration auf. Dieses Gleichgewicht entsteht vermutlich durch einen unmittelbaren stattfindenden Abtransport des gerade sublimierten Wassers in höher gelegene Luftschichten und eine dort erfolgende Vermischung mit der Atmosphäre. Die dazu führenden Prozesse sind noch nicht vollständig erfasst. Aufgrund der gewonnenen Daten ergibt sich in zwei Meter Höhe über dem Boden eine tägliche durchschnittliche Luftfeuchtigkeit von etwa fünf Prozent.

Im letzten Drittel der insgesamt 152 Sols andauernden Mission (“Sol” ist die Bezeichnung für einen synodischen Marstag, welcher mit einer Dauer von 24 Stunden, 39 Minuten und 35 Sekunden etwas länger ausfällt als ein Tag auf der Erde) konnten jeweils um die Mittagszeit herum mehrfach sogenannte “Dust Devils”, auf deutsch Staubteufel, beobachtet werden. Hierbei handelt es sich um mit Windhosen vergleichbare Mini-Tornados, wie sie im Laufe der letzten Jahre auch bereits von den beiden Marsrovern Spirit und Opportunity in der Nähe des Marsäquators fotografisch dokumentiert wurden. Einige der beobachteten Dust Devils passierten Phoenix in unmittelbarer Nähe mit Geschwindigkeiten von rund 10 Metern pro Sekunde. Dabei kam es zu kurzfristigen Abfällen des Luftdrucks um ein bis drei Pascal. Peter Taylor von der York University in Toronto/Kanada und Mitglied des wissenschaftlichen Teams der Mission sagte dazu, dass während der gesamten Mission Wirbelstrukturen in der Atmosphäre festgestellt werden konnten, welche in der Mittagszeit zu 20 bis 30sekündigen Abfällen des Luftdrucks führten. Mit einem zunehmenden Fortschreiten der Jahreszeit hin zum Herbst nahm deren Intensität permanent zu bis ihre Kraft schließlich ausreichte, den Staub vom Boden in die Luft zu wirbeln und die beobachteten Minitornados auszulösen.

Das Auftreten solcher Staubteufel war bereits vor der Phoenix-Mission auch in den polaren Zonen bekannt, da Orbitaufnahmen verschiedener Marssonden die auf der Oberfläche hinterlassenen Spuren der Mini-Tornados dokumentieren konnten. Allerdings war es bis zu diesem Zeitpunkt nicht gelungen, die dortigen Staubteufel direkt abzubilden. Der entsprechende fotografische Nachweis gelang Phoenix erstmals am 9. September 2008, dem Sol 104 der Mission, um 11:16 lokaler Marszeit. Allerdings zeigte sich im weiteren Missionsverlauf auch, dass die direkt beobachteten polaren Staubteufel mit Durchmessern von lediglich zwei bis fünf Metern offensichtlich nicht die Dimensionen ihrer in Äquatornähe aktiven Pendants erreichen. Einige der dort unter anderem von der Mars Global Surveyor-Sonde der NASA direkt dokumentierten Staubteufel erreichten an ihrer Basis Durchmesser von ein bis zwei Kilometern und erhoben sich, so ließ sich aus der Länge der geworfenen Schatten berechnen, acht bis zehn Kilometer in die Höhe.

Allgemein zeigte es sich, dass der Wind in den Nächten relativ ruhig und durchgehend mit Geschwindigkeiten um die vier Meter pro Sekunde aus östlicher Richtung wehte. Im Verlauf des Tages variierten die Windgeschwindigkeiten dagegen zwischen einem und 12 Metern pro Sekunde und es traten zudem vermehrt Sturmböen auf. Auch die Windrichtung unterlag während der Marstage starken Schwankungen.

Mit dem jahreszeitlich bedingten Abfallen der nächtlichen Temperaturen konnte zudem mit fortschreitender Missionsdauer eine Zunahme der Luftfeuchtigkeit registriert werden. Ab etwa dem 80sten Tag der Mission wurde mit dem LIDAR die regelmäßige Bildung von Nebel bis in eine Höhe von etwa 700 Metern beobachtet. Ungefähr ab Sol 90 bildeten sich schließlich bei nächtlichen Tiefsttemperaturen von unter minus 84 Grad Celsius Wolken aus Wassereiskristallen. Dies geschah jeweils in der zweiten Nachthälfte in einer Höhe von etwa vier Kilometern über dem Boden. Später vielen aus diesen Wolken sogenannte Fallschleppen ab. Ähnliche Strukturen sind auch aus der irdischen Meteorologie bekannt und treten auf der Erde zum Beispiel im Zusammenhang mit Zirruswolken auf. Auf dem Mars entstehen sie durch anfangs in ihrer Größe anwachsende Wassereispartikel. Sobald diese Eiskristalle ein bestimmtes Gewicht erreicht haben, fallen sie ab. Es “schneit” Eiskristalle, welche langsam zum Boden hinabgleiten.

In der nebenstehenden Grafik erkennt man für den Zeitraum zwischen 4:23 Uhr und etwa 4:45 Uhr eine relativ geschlossene Wolkendecke, welche sich in einer Höhe zwischen 3.500 und 4.000 Metern Höhe befindet. Ab etwa 5:00 Uhr bilden sich daraus die erwähnten Fallschleppen, welche auf Höhen von bis zu 2.500 Metern absinken. Die zu beobachtenden seitlichen Ausschläge der Schleppen resultieren aus einer in dieser Höhe um rund drei Kilometer pro Stunde höheren Windgeschwindigkeit als in den weiter oben gelegenen Atmosphärenschichten. Innerhalb einer Stunde sinken die Wolkenstrukturen um etwa einen Kilometer ab, bevor das Wassereis aufgrund der steigenden Temperaturen wieder zu Wasserdampf sublimiert. Aus dieser Absinkgeschwindigkeit konnten die mit der Auswertung der LIDAR-Daten beschäftigten Wissenschaftler eine durchschnittliche Größe der Eispartikel von etwa 70 Mikrometern ableiten. Die der Grafik zugrunde liegenden Daten wurden vom LIDAR-Instrument am 3. September 2008 (Sol 99 der Mission) aufgenommen.

Während der mit dem LIDAR durchgeführten Messungen erfolgte eine Sublimation der Eispartikel, bevor diese den Boden erreichen konnten. Zu fortgeschrittener Jahreszeit ist allerdings zu erwarten, dass diese Kristalle bei entsprechend tieferen Temperaturen den Boden erreichen und sich dann als Wassereis auf der Oberfläche ablagern. “Vor der Phoenix-Mission”, so James Whiteway, welcher ebenfalls am der York University tätig und für die entsprechenden LIDAR-Messungen verantwortlich ist, “waren wir uns nicht sicher, ob es auf dem Mars überhaupt irgendwelche Niederschläge gibt. Im Winter breitet sich das nordpolare Eis zwar bis über den Landeplatz von Phoenix aus. Wie das Wasser aber aus der Atmosphäre auf den Boden gelangt, war bislang unklar. Jetzt wissen wir, dass es dort schneit, und dass dieser Schneefall ein Teil des marsianischen Wasserkreislaufs darstellt.” Im Laufe der Nacht wandelt sich der Wasserdampf zu Wassereis, was zu einem Verminderung des Luftdrucks führt. In der zweiten Nachthälfte gelangt das Eis auf die Oberfläche und sublimiert dort am nächsten Morgen bei wieder ansteigenden Tagestemperaturen. Der Wasserdampf wird anschließend umgehend in der Atmosphäre verteilt, bevor der Zyklus in der folgenden Nacht erneut einsetzt.

Über die durch die kanadische Wetterstation während des gesamten Missionsverlaufes gesammelten Daten ist zu sagen, dass die Temperatur auf der Oberfläche des nordpolaren Mars zu Beginn der Mission am Tag bei durchschnittlich minus 30 bis 35° Celsius lag und während der Nächte trotz einer immer noch über dem Horizont stehenden Sonne auf Werte um die minus 80° Celsius abfiel. Der Luftdruck schwankte in dieser Zeit zwischen 8,0 und 8,5 Millibar. Nach drei Monaten Missionsdauer war diese Zeit des marsianischen Polartages am Landeplatz von Phoenix vorbei und die Sonne versank am 22. August 2008, dem Sol 86 der Mission, für eine halbe Stunde unter dem Horizont. Anfangs hatte dies noch keine sonderlichen Auswirkungen auf die Tagestemperaturen. Die Nachttemperaturen fielen ab jetzt jedoch konstant unter die Marke von minus 80° Celsius ab. Ab dem Sol 104 sank auch die Tagestemperatur permanent auf unter minus 34° Celsius. Die machte sich auch durch ein Absinken des durchschnittlichen täglichen Luftdruckes bemerkbar. Am 22. Oktober 2008 betrug dieser lediglich noch 7,38 Millibar. Am 27. Oktober 2008, dem Sol 151 der Mission, übermittelte die meteorologische Station ihre letzten Daten an das Kontrollzentrum des JPL in Pasadena/Kalifornien. An diesem Tag betrug die Tageshöchsttemperatur auf der Marsoberfläche minus 45° Celsius und sank in der Nacht auf einen Wert von minus 89° Celsius ab.

In den folgenden Sols sank die tägliche Energieausbeute des ausschließlich solarbetriebenen Landers zu weit ab, um die wissenschaftlichen Instrumente auch weiterhin mit Energie zu versorgen. Der Grund hierfür war nicht nur der weiter absinkende Sonnenstand und die daraus resultierende täglich verkürzte Dauer des Einfalls von Sonnenlicht, sondern auch die Nachwirkungen eines regionalen Staubsturmes. Dieser hatte zwei Wochen zuvor die Lichtdurchlässigkeit der Marsatmosphäre herabgesetzt und zusätzlich zur Minderung der täglich generierten Energiemenge beigetragen. Am 2. November 2008 gelang es der NASA zum letzten Mal, einen Kontakt mit Phoenix herzustellen.

Der dritte Teil dieser Artikelserie über die bisherigen Erkenntnisse der Phoenix-Mission erwartet sie hier in zwei Wochen. Dort werden Sie dann über die Geomorphologie des Landeplatzes, die Aussicht auf eventuelles Leben auf dem Mars und einen Ausblick über die Zukunft der Phoenix-Mission informiert werden.

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