21. Dezember 2021 | DLR-Stereokamera zeigt die südliche Mars-Polkappe im Licht des Frühlings
Eisiger Frühling am Mars-Südpol
Die Eiskappe am Mars-Südpol bei Frühlingsbeginn
Der große Schnee in diesem Winter lässt in Mitteleuropa noch auf sich warten. Doch ein Blick auf den Mars zeigt immerhin zur Wintersonnwende 2021 am heutigen 21. Dezember eine von Eis und Schnee bedeckte Landschaft am Südpol des Planeten. Die Bilddaten wurden bereits am 17. Dezember 2012 von der am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof entwickelten Stereokamera HRSC auf der ESA-Raumsonde Mars Express aufgenommen und dort bearbeitet. Nach einer 343 Tage langen Polarnacht scheint der Südpol wieder im Licht der Frühlingssonne, steigende Temperaturen werden die hier noch etwa 600 Kilometer durchmessende Eisbedeckung noch weiter schrumpfen lassen. Im südlichen Marssommer hat die Eisbedeckung einen Durchmesser von nur 400 Kilometern. Die Draufsicht auf den Südpol wurde aus Orbitalhöhen zwischen 1330 und 1700 Kilometern aufgenommen, die Bildauflösung beträgt etwa 200 Metern pro Bildpunkt (Pixel). Das Bild ist aus Bilddaten der drei Sensoren Blau, Grün und nahes Infrarot zusammengesetzt und entspricht annähernd einem echten Farbeindruck. Die Farbunterschiede in der Eisbedeckung rühren von einer Wechsellagerung von Eis- und Staubschichten her. Die Südpolkappe ist bis zu 1500 Meter mächtig. Während der Polarnacht im Winterhalbjahr fallen die Temperaturen am Südpol auf unter minus 130 Grad Celsius. Dabei schneit Kohlendioxideis auf die Marsoberfläche und lässt die Polkappe wachsen.
Der Frühling am Mars-Südpol lässt die Kohlendioxid-Eiskappe im jahreszeitlichen Rhythmus schrumpfen.
DLR-Stereokamera HRSC ist seit fast 18 Jahren auf dem ESA-Orbiter Mars Express im Einsatz.
Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration des Sonnensystems, Mars
Neben gigantischen Vulkanen, riesigen Grabenbrüchen, ausgetrockneten Kraterseen und Flusstälern sind die Eiskappen an Nord- und Südpol des Mars schon immer Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Untersuchungen. Darüber hinaus bieten die im Winter wachsenden und im Frühling und Sommer schrumpfenden Eiskappen auch einen ausgesprochen ästhetischen Anblick. Dieses Bild wurde von der Stereokamera HRSC des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) auf dem europäischen Orbiter Mars Express aufgenommen und zeigt den Südpol des Planeten mit seiner noch etwa 600 Kilometer großen Eisbedeckung. Es ist Frühling auf der Südhalbkugel des Mars. Die 343 Tage währende Polarnacht südlich des Polarkreises ist vorbei und das Tageslicht lässt die Eiskappe bald auf ihren Sommerdurchmesser von 400 Kilometern schrumpfen.
Mars Express, die erste Planetenmission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, umkreist den Mars seit dem 25. Dezember 2003. Neben dem NASA-Orbiter Mars Odyssey 2001 ist der „MEX“ die am längsten aktive Raumsonde zur Erforschung des Sonnensystems. Eines von sieben Experimenten ist das am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der deutschen Industrie entwickelte Kamerasystem HRSC (High Resolution Stereo Camera), das den Planeten seit Januar 2004 in hoher Auflösung, in Farbe und vor allem in „3D“ global kartiert. Die von der Kamera aufgezeichneten Stereo-Bilddaten werden zur Berechnung von digitalen Geländemodellen verwendet, aus denen sich die Topographie des Mars ableiten lässt.
Diese Draufsicht auf den Südpol entstand vor neun Jahren, am 17. Dezember 2012 während Orbit Nummer 11.404 aus Höhen zwischen 1330 und 1700 Kilometern. Die Bildauflösung liegt deshalb bei etwa 200 Metern pro Bildpunkt (Pixel). Die Rohbilddaten wurden vom HRSC-Team am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof bearbeitet. Von dort wird auch der Betrieb der HRSC gesteuert. Das Bild ist aus den Aufnahmen der drei Sensoren Blau, Grün und nahes Infrarot zusammengesetzt und entspricht annähernd dem Farbeindruck, den das menschliche Auge aus einem Raumschiff in der Umlaufbahn haben würde. Die Farbunterschiede in der Eisbedeckung rühren von einer Wechsellagerung von Eis- und Staubschichten her.
Temperaturen weit unter minus 100 Grad Celsius
Der holländische Astronom Christian Huygens entdeckte 1672 mit seinem Teleskop die Polkappen des Mars. Hundert Jahre später, 1781, beobachtete Friedrich Wilhelm Herschel zunächst, dass beide Polkappen ihren Mittelpunkt nicht genau bei 90 Grad nördlicher beziehungsweise südlicher Breite, sondern eine leicht exzentrische Position haben. Er erkannte auch, dass die Eiskappen jahreszeitlich wachsen und schrumpfen. Die NASA-Sonde Viking 2 fand 1976 heraus, dass die nördliche Polkappe mindestens zur Hälfte aus Wassereis und sonst aus Kohlendioxideis besteht, wohingegen die südliche Polkappe nur einen geringen Anteil an Wassereis hat, das stellenweise mit Kohlendioxideis vermischt ist. Die Südpolkappe ist bis zu 1500 Meter mächtig und hat wie der Eisschild am Nordpol ein Volumen von etwa 1,6 Millionen Kubikkilometern. Das ist insgesamt ein wenig mehr Eis als im grönländischen Eisschild gespeichert ist, der (noch) ein Volumen von knapp drei Millionen Kubikkilometern hat.
Während der Polarnacht im Winterhalbjahr fallen die Temperaturen an den Polen auf unter minus 100 Grad Celsius. Zum einen ist der Mars durchschnittlich 70 Millionen Kilometer weiter von der Sonne entfernt als die Erde und empfängt entsprechend weniger Energie, nämlich nur etwa 600 Watt pro Quadratmeter (Erde: 1360 W/m2). Zum anderen ist die Marsatmosphäre sehr viel dünner als die Gashülle der Erde und kann deshalb auch nur einen viel geringeren natürlichen Treibhauseffekt erzeugen und entsprechend weniger Energie speichern.
Trockeneis rieselt im Winter auf den Mars
Weil der Mars-Südpol zudem einige tausend Meter höher liegt als der Nordpol, sind dort die Temperaturen in der Polarnacht noch einmal tiefer und können auf unter minus 130 Grad Celsius sinken. Diese extreme Kälte führt dazu, dass aus der Kohlendioxidatmosphäre das CO2 kristallisiert und als Trockeneis auf die Marsoberfläche rieselt. Die Polkappen dehnen sich durch diese wenige Meter dicke Eisschicht weit aus, im Süden reicht die Eisbedeckung bis in die Breiten von 60 bis 50 Grad. Auf der Erde würde dies bedeuten, dass sich die Antarktis im Südwinter bis etwa Kap Hoorn an der Südspitze von Chile in Südamerika ausdehnen würde.
Die Marsatmosphäre besteht zu 95 Prozent aus Kohlendioxid, ferner Stickstoff und Argon und nur sehr geringen Spuren an Wasserdampf. Berechnungen gehen davon aus, dass bis zu einem Drittel des Kohlendioxids im Verlauf eines Marsjahrs im jeweiligen Winter aus der Atmosphäre zunächst auf den einen Pol rieselt, mit Beginn des Frühlings wieder sublimiert, also vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht, um dann am anderen Pol zu resublimieren. Die damit einhergehenden Massenverschiebungen wurden von verschiedenen Raumsonden gemessen.
Auffallend ist die ein wenig spiralförmige Geometrie der Eisschichten. Deren Ursprung ist noch nicht vollständig klar. Es wird vermutet, dass sie ein Effekt der Corioliskraft ist, die auch auf der Erde wirkt. Die Rotationsgeschwindigkeit der Planeten ist am Äquator am schnellsten und nimmt in Richtung der Pole bis auf Null ab. Dadurch nehmen auch die in Richtung der Pole abfließenden wärmeren Luftmassen den Schwung mit (beziehungsweise von den Polen in die gemäßigten Breiten abfließende kälteren Luftmassen verlieren an Schwung) und sind dort dann schneller (beziehungsweise langsamer) als die Planetenoberfläche. Das führt zu typischen Strömungsmustern der Winde mit entsprechenden Erosionsformen am Boden. Das spiralförmige Muster ist am Mars-Nordpol noch viel stärker ausgeprägt als am Südpol.
Jahreszeiten von Mars und Erde ähneln sich
Astronomisch betrachtet verhält es sich mit den Jahreszeiten - und damit der Einstrahlung von Sonnenlicht auf dem Mars - ganz ähnlich wie auf der Erde. Unser äußerer Nachbarplanet ist zwar nur halb so groß wie die Erde, aber drei Parameter, die zu diesem fast identischen Jahreslauf wie auf der Erde führen, sind gut vergleichbar. Entscheidend für ausgeprägte Jahreszeiten ist, dass der Mars, wie auch die Erde, schräg auf seiner Umlaufbahn um die Sonne steht. Seine Drehachse ist um 25,2 Grad gegenüber der Ekliptik geneigt, also die Ebene der Bahn der Erde um die Sonne. Bei der Erde beträgt die Achsenneigung 23,4 Grad, was bedeutet, dass der nördliche und südliche Polarkreis auf dem Mars nur ein klein wenig mehr nach Süden bzw. Norden verschoben sind. Auch die Tageslängen beider Planeten sind vergleichbar, bei der Erde beträgt die Rotationsperiode 24 Stunden, auf dem Mars dauert die Rotation um die eigene Achse und damit der Marstag, ein sogenannter „Sol“, 37 Minuten länger.
Auch die Länge eines Jahres, also die Zeitspanne, die vergeht, bis Erde oder Mars auf ihrem Weg um die Sonne 360 Winkelgrad zurückgelegt haben und ihren „Startpunkt“ wieder durchlaufen, ist bei beiden Planeten anschaulich und deshalb leicht vergleichbar: Bei der Erde sind es 365 Tage (und etwa ein Vierteltag noch dazu – deshalb wird in Schaltjahren, also alle vier Jahre, ein Tag hinzugenommen), und beim Mars sind es 687 Tage. Das Marsjahr ist also 1,9-mal so lang wie das Erdenjahr, was nichts anderes bedeutet, als dass auch alle vier Jahreszeiten fast doppelt so lange dauern, wie auf der Erde.
Das HRSC-Experiment auf Mars Express
Die High Resolution Stereo Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und in Kooperation mit industriellen Partnern gebaut (Airbus, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH). Das Wissenschaftsteam unter Leitung des Principal Investigators (PI) Dr. Thomas Roatsch besteht aus 50 Co-Investigatoren, die aus 35 Institutionen und 11 Nationen stammen. Die Kamera wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben. Mitarbeiter der Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung der Freien Universität Berlin erstellten daraus die hier gezeigten Bildprodukte.
