Geologie auf dem Mars
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NASA Mars Phoenix Lander 2008
Opportunity
Opportunity (englisch für Gelegenheit) (Mars
Exploration Rover B MER-B) ist eine im Juli 2003
gestartete US-amerikanische Raumsonde der neuesten
Generation zur geologischen Erforschung des
Mars.
Opportunity landete am 25. Januar 2004 erfolgreich in
einem kleinen Krater, den die NASA später 'Eagle
Crater' taufte.
Mars Rover, Artwork NASA
Opportunity hüpfte nach dem ersten Aufschlagen
zufällig in einen kleinen Krater
Ziele der Mission
Ziel der Sonde Opportunity (MER-B) und ihrer
Schwestersonde Spirit (MER-A), war die Landung und
geologische Erkundung in Gebieten, die zuvor von den
früheren Orbitern der NASA nach deren Strategie
follow the water (folge dem Wasser) als mögliche
ehemals Wasser führende Bereiche erkannt worden
waren. Sie wiesen Strukturen oder Mineralien auf,
die auf den Einfluss von flüssigem Wasser oder
vielleicht sogar auf ehemals offene Wasserflächen
schließen ließen.
Für Opportunity war eine Landestelle nahe des
planetaren Äquators auf der Tiefebene Meridiani
Planum ausgewählt worden, weil dort ausgedehnte
Vorkommen von Hämatit an der Oberfläche erkannt
worden waren. Hämatit kann unter anderem in offenem
Wasser oder auch hydrothermal entstehen. Ein
weiterer sehr interessanter Aspekt für die Auswahl
dieses Bereiches wird die Entdeckung einer nahezu
plan liegenden, offenbar sehr fein geschichteten,
hellen Gesteinsformation aus dem Orbit gewesen sein,
wenn auch dieses Ziel öffentlich vorab nicht genannt
worden war. Ob diese Gesteine allerdings äolische
(windabgelagerte) oder aquatische (wasserabgelagerte)
Sedimente, Tuffite (Vulkanaschen), helle
Vulkanitdecken (Lava) oder auch besondere Impaktite
(geschichtete Ablagerungen von so genannten
'Gesteinswolken' aus Meteoriteneinschlägen),
darstellten, war vor der Untersuchung am Boden noch
völlig offen.
Die Missionsdauer sollte anfangs garantierte 90 Tage
betragen, doch hat "Opportunity" sie längst bei
weitem übertroffen. Anfang April 2005 gab die NASA
bekannt, dass die Mission um weitere 18 Monate bis
September 2006 verlängert wird.
Technik der Sonde
Im Gegensatz zu
Mars Pathfinder ist "Opportunity"
keine feststehende Bodenstation sondern ein fahrbarer
Roboter, Rover genannt. Dieser ist 185 kg schwer, er
sollte laut Spezifikation in der Lage sein, je nach
Oberflächenbeschaffenheit am Tag etwa 100 m,
insgesamt etwa 3 km zurückzulegen und bis zu 6
Monate auf der Planetenoberfläche zu überleben. Dies
übertrifft die Fähigkeiten des Vorgängers "Sojourner"
(Mars-Pathfinder-Mission 1997) etwa um den Faktor
60. Der Rover wird von der NASA selbst als
'Robot-Geologe' (robotic geologist) bezeichnet und
besitzt 6 unabhängig voneinander angetriebene Räder
an stelzenförmigen Teleskopbeinen. Er trägt neben
verschiedenen Panorama- (pancam), Navigations-
(navcam) und Gefahrenerkennungs-Kameras
( 'hazcams' - hazard recognition cameras) einen
schwenkbaren Arm mit einem Gesteinsmikroskop
(ebenfalls mit Kamera), mehreren Spektrometern
(Mößbauer, Alpha-Partikel, Infrarot) und einem
mechanischen Werkzeug, das in der Lage ist,
Gesteinsoberflächen abzubürsten und auf einigen
Quadratzentimetern mehrere Millimeter tief
anzubohren, um auch das Innere erreichbarer Gesteine
untersuchen zu können ( 'rat' - rock-abrasion-tool).
Die Räder werden einzeln bewegt und dienen nicht nur
zur Fortbewegung, sondern können auch als
Schürfgeräte eingesetzt werden, um den Untergrund
aufzuwühlen und damit einige Zentimeter des
Bodenprofils mechanisch und fotografisch zu
untersuchen. Der Rover besitzt über Solarpaneele
aufladbare Batterien und wird zur Energieeinsparung
vor Sonnenuntergang in einen Ruhezustand versetzt
und nach Sonnenaufgang durch ein Funksignal wieder
'geweckt'. Mit Hilfe seiner Antennen kann das Gerät
Bilder und Messergebnisse entweder an die als
Zwischenstationen zur Erde verwendeten umlaufenden
Orbiter der NASA und der ESA oder direkt zur Erde
senden sowie Befehle von dort empfangen. Wegen der
relativ hohen Laufzeit der Signale von der Erde
(je nach Planetenabstand bis zu 20 Minuten), muss
der Rover mit seinen Bordcomputern in gewissem
Umfang autonom agieren können.
Verlauf der Mission
"Opportunity" startete am 8. Juli 2003 erfolgreich
mit einer "Delta II"-Trägerrakete und landete am
frühen Morgen des 25. Januar 2004 (6.05 Uhr MEZ) in
der Meridiani Planum-Tiefebene des Mars. Im
Gegensatz zu früheren Missionen wurde der Lander
nicht aus einer Umlaufbahn abgesetzt, sondern direkt
aus seiner Flugbahn heraus mit einer Fehlertoleranz
von wenigen Kilometern auf den Planeten
niedergebracht, was äußerste Zielgenauigkeit im
Anflug erforderte. Die Sonde wurde, durch ein
Hitzeschild geschützt, zunächst in der Atmosphäre
bis auf Schallgeschwindigkeit abgebremst. Dann
entfaltete sich ein Fallschirm an dessen Leinen ein
Raketensystem oberhalb der Sonde angebracht war,
das horizontale Bewegungen in der Atmosphäre
ausgleichen sollte. Kurz vor dem Aufsetzen wurden
schlagartig schützend um die Sonde gelegte Airbags
aufgeblasen. Nach dem Aufsetzen hüpfte das
Landeraumschiff auf den Airbags noch etliche Male
über die Oberfläche, bis es in einem kleinen Krater
zum Stillstand kam. Nach Entleeren der Airbags und
Öffnen der Kapsel des Schiffes offenbarten die
ersten Fotos des Rovers nie gesehene Strukturen am
Rand des kleinen Kraters, die eine der wichtigsten
Beobachtungsobjekte für Opportunity werden sollten.
Sie zeigten, dass die Sonde ihr Ziel, entgegen
vieler Erwartungen, genau getroffen hatte und in
denkbar günstigster Position nur wenige Meter neben
einem offen zutage liegenden Anschnitt der
anvisierten hellen Gesteinsformation gelandet war.
Nach mehreren Tagen wurde der Rover auf seiner
Landeplattform entfaltet und konnte diese über eine
heruntergeklappte Rampe verlassen, um seine Fahrt
aufzunehmen.
Wissenschaftliche Ergebnisse
Belege für ehemals flüssiges Wasser auf dem Mars
Hinweise vom Boden auf ehemals flüssiges Wasser auf
dem Mars konnte die NASA erstmals am 2. März 2004
vermelden:
Opportunitys Instrumente entdeckten hohe
Schwefelkonzentrationen im Gestein, wie sie unter
irdischen Bedingungen meist nur in aus eingedampftem
mineralhaltigen Wässern ausgefällten Gesteinen, den
Evaporiten, zum Beispiel
Gips
oder
Anhydrit zu
finden sind.
Des weiteren fanden die Instrumente des Rovers
Jarosit, ein Eisen-Schwefel-Mineral, das auf der
Erde ebenfalls nur unter Mitwirkung von Wasser
entsteht. Auf der Erde ist das Vorkommen dieser
Salze in den vorliegenden Konzentrationen ein
eindeutiges Anzeichen dafür, dass das Gestein
entweder in offen stehendem Wasser ausgefällt wurde
bzw. Grundwässern über einen längeren Zeitraum
hinweg ausgesetzt war.
Diese Entdeckungen waren mit den beiden in
Deutschland entwickelten, nur faustgroßen und damit
extrem miniaturisierten Instrumenten APXS und MIMOS
II möglich geworden. Das APXS (Alpha Particle X-Ray
Spectrometer) vom MPI für Chemie in Mainz ist ein
Strahlungsdetektor, dessen Herzstücke, die Alpha-
und Röntgenstrahlungshalbleiterdetektoren, von der
Münchener Firma KETEK (http://www.ketek.net)
entwickelt und hergestellt wurden. Das MIMOS II
(Miniaturisiertes Mössbauer Spektrometer) wurde an
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickelt.
Hochauflösende Nahaufnahmen der feingeschichteten
Sedimente zeigten außerdem zentimetergroße
tafelförmige Hohlräume, wie sie entstehen, wenn
wasserlösliche Kristalle, etwa von Gips, anderen
Sulfaten oder Dolomit wieder aus dem Gesteinsverband
herausgelöst werden.
Darüber hinaus wurden regelmäßig verteilte,
millimetergroße und kugelrunde
Mineralaggregate
zunächst unbestimmter Zusammensetzung in großer
Zahl im Gestein entdeckt, die bald als Konkretionen
gedeutet werden konnten, wie sie in wässrigem Milieu
entstehen. Dass die Kügelchen im Gestein selbst
entstanden sind, konnte an den Lagerungsverhältnissen
erkannt werden: sie liegen im Gestein, ohne die
millimeterfeine Schichtung irgendwie erkennbar zu
stören, was der Fall sein müsste, wären sie etwa als
Gerölle oder vulkanischer oder meteoritischer
Niederschlag von außen eingetragen worden. Etwas
später konnten spektroskopisch hohe
Hämatitkonzentrationen in diesen Konkretionen
erkannt werden, was die obige Interpretation weiter
erhärtete.
Angesichts dieser Entdeckungen konnte die NASA von
der Formation als ehemals soaking wet ('tropfnass')
sprechen. Zunächst war unklar, ob das Wasser an der
ursprünglichen Entstehung der Schichten selbst
beteiligt war, also am Ort offen an der Oberfläche
stehend vorhanden gewesen war, oder ob die
beobachteten Gesteinseigenschaften auf die
nachträgliche Einwirkung unterirdischer Wässer
(Grundwasser oder hydrothermale Lösungen)
zurückzuführen waren.
Belege für ehemals offen stehendes bewegtes Wasser
Am 23. März 2004 gab die NASA bekannt, dass als
sicher gelten kann, dass an der Landestelle früher
ein offener flacher Salzsee oder Ozean bestanden
hat. Der Rover konnte in einer Serie von über 200
Mikrofotos an einem Teilaufschluss der anstehenden
Gesteinsschichten Sedimentstrukturen räumlich
erfassen, deren irdische Äquivalente nur durch
bewegtes Wasser entstehen (cross-bedding
Schrägschichtung). Die Wissenschaftler
interpretieren diese Gesteine als Reste einer
ehemaligen Küstenlinie und weisen darauf hin,
dass genau solche Ablagerungen, wie sie hier
angetroffen wurden, eventuelle (Mikro)-
Fossilien
oder andere Spuren biologischer Aktivität
hervorragend konservieren würden. Eine Rückkehr
in die Gegend zum Zwecke einer automatisierten oder
auch konventionellen Probennahme wäre damit sehr
wünschenswert und auch wahrscheinlich. Opportunity
hat einen der bisher interessantesten Orte im
Sonnensystem entdeckt. Auf Satellitenbildern ist zu
erkennen, dass die in Frage stehenden Schichten,
ein helles, feingeschichtetes Gesteinspaket offenbar
über mindestens mehrere tausend Quadratkilometer
verbreitet sind. Opportunity ist nach einigen
Anfangsschwierigkeiten inzwischen aus dem kleinen
Krater am Landeplatz gefahren und soll nun die
weitere Umgebung nach den als blueberries
bezeichneten hämatit-haltigen Konkretionen, die das
Gestein kennzeichnen, absuchen und in einem nahe
gelegenen größeren Krater einen mächtigeren
Aufschluss des Sedimentpakets untersuchen.
Links: Der Pfeil zeigt den Landekrater. Rechts am
größeren Krater, dem nächsten Ziel der Sonde in etwa
1 km Entfernung ist die helle Gesteinsformation
schon von oben deutlich zu sehen. Auf der Ebene ist
sie durch eine dünne Schicht aus Staub und Geröll
bedeckt. Rechts: Die Formation aus fein
geschichteten hellen Sedimentgesteinen am inneren
Kraterrand. Der Bildausschnitt ist etwa 5 m breit.
Links: Eine der kugeligen Hämatitkonkretionen,
blueberries genannt, die durch Ausfällung von
Mineralien aus dem Wasser wuchsen. Die Kugel misst
ca. 2 mm. Mitte: Typische Hohlräume im Gestein
entstanden durch Herauslösung von tafeligen
Sulfatkristallen. Bildausschnitt etwa 5 cm. Rechts:
Kleinräumige Schrägschichtung belegt die Entstehung
der Schichten in offen stehendem bewegtem Wasser.
Bildausschnitt etwa 5 cm.
Diskussion bisheriger Entdeckungen
Die Doppelmission der Mars
Exploration Rovers darf bereits jetzt, noch vor
ihrem Abschluss, als in technischer und
wissenschaftlicher Hinsicht außerordentlich
erfolgreich gelten. Sie knüpft damit an die größten
historischen Erfolge der NASA an und steht in einer
Reihe mit den bemannten Mondlandungen, den Pioneer-,
Voyager und Viking-Sonden und stellt damit eine
technische Höchstleistung dar.
Es ist zum ersten Mal der Nachweis direkt vor Ort
gelungen, dass auch auf anderen Planeten flüssige
Wasservorkommen und damit die Voraussetzungen für
die mögliche Entstehung von Leben existieren oder
existiert haben. Es ist das erste Mal, dass
Sedimentgesteine eines fremden Planeten untersucht
werden konnten. Es ist das erste Mal, dass
Datenmaterial aus der Erkundung eines fremden
Himmelskörpers über das Internet annähernd in
Echtzeit öffentlich zugänglich gemacht wurde, noch
bevor die Projektbeteiligten selbst es auswerten
können.
Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von
"Bounce Rock", einem Stein der von Opportunity bei
der Landung beinahe getroffen worden wäre, zeigen
eine starke Ähnlichkeit zu den Shergottiten, einer
Untergruppe der so genannten Marsmeteoriten. Dies
ist ein weiteres starkes Indiz dafür, dass die
Marsmeteorite auch wirklich vom Mars herstammen.
Offene Fragen
Weitgehend offen ist, wie alt die Schichten sein
mögen, die im Wasser abgelagert wurden. Wegen des
Grades der Verkraterung der Oberfläche auf Meridiani
Planum ist ein gewisses Mindestalter von mehreren
hundert Millionen Jahren wahrscheinlich. Welche
Zeiträume wir in den untersuchten Schichten vor uns
haben, ist ebenfalls völlig offen. Einige Hinweise
legen immerhin nahe, dass diese vielleicht nicht
ganz kurz gewesen sein könnten. Die Ausbildung der
beobachteten Hämatitkonkretionen wäre auf der Erde
ein Prozess, der zwischen mindestens mehreren
Jahrzehnten und vielleicht mehreren Jahrtausenden
andauern müsste. Auch sind allein schon in dem
kleinen beobachteten Aufschluss im Eagle Crater
mehrere Phasen der Ablagerung mit immer wieder
unterschiedlichen Korngrößen und Sulfatgehalten zu
erkennen, die eine wiederholte Überflutung mit
nachfolgender Austrocknung und Ausfällung von
Evaporiten in der Art irdischer Salzpfannen (Playas)
nahe legen.
Auf Bildern aus dem Orbit ist des weiteren zu sehen,
dass diese oder ähnliche Schichten in der weiteren
Umgebung des Untersuchungsgebietes mehrere
Zehnermeter oder noch mächtiger sein müssen. Daraus
wäre zu folgern, dass das wässrige Milieu
tatsächlich über längere Zeit hinweg bestanden hat,
aus den bisherigen Beobachtungen allein ließen sich
vielleicht bereits Zeiten von mehreren tausend bis
mehreren hunderttausend Jahren ableiten. Hier stellt
sich dann im Weiteren die Frage, über welche
Zeiträume hinweg die Existenz offener Wasserflächen
auf dem Planeten überhaupt möglich gewesen sein
könnte, immerhin scheint sie unter heutigen
Umständen ausgeschlossen, dafür ist die Atmosphäre
heute ganz wesentlich zu dünn und die
Oberflächentemperatur viel zu niedrig.
Offensichtlich müssen in der planetaren Geschichte
Verhältnisse geherrscht haben, die ganz bedeutend
von den heutigen abwichen. Die Gründe dafür sind
nicht bekannt, diskutiert werden unter anderem
Bahnverschiebungen im Sonnensystem, Veränderungen
des Neigungswinkels der planetaren Rotationsachse
oder Veränderungen in der Sonne selbst. Einige
Wissenschaftler sind bereits der Meinung, der
heutige Zustand des Planeten entspräche einer
Sonderphase in dessen Geschichte, der Mars befände
sich in einer tiefen Eiszeit. Höchst interessant
wäre in diesem Zusammenhang die Frage, ob sich
solche langfristigen globalen Veränderungen eines
Tages vielleicht mit solchen auf der Erde zeitlich
korrelieren ließen.
Nach: de.wikipedia.org/wiki/Opportunity
Erforschung der Marspole durch Eissonden
Mars Phoenix Lander auf dem Permafrost jenseits des nördlichen Polarkreises
Die Monde des Mars
(weitere in Vorbereitung)
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Images by courtesy of NASA/JPL