Senkrechte Draufsicht auf einen Ausschnitt von Utopia Planitia
Durch das periodische Kippen der Drehachse des Planeten um bis zu 60 Grad kommt es zu starken Klimaschwankungen auf dem Mars. Dann wird auch in gemäßigten Breiten, die auf der Erde zum Beispiel geographischen Gebieten wie Europa entsprechen würden, Eis über längere Zeiträume abgelagert. Zusammen mit vom Wind eingetragenem Staub bildet das Eis Schichten, die sich wie ein Mantel über bestehende Oberflächenformen legen. Diese „Mantelablagerungen“ sind in dieser kontrastverstärkten Draufsicht im linken und rechten Bilddrittel zu sehen (Norden ist rechts im Bild). Links und rechts der beiden zehn beziehungsweise zwölf Kilometer großen Einschlagskrater in der Bildmitte überdeckt Kraterauswurf in zwei Schichten die Umgebung. Die Mantelablagerungen sind an den Kraterrändern und besonders gut im Inneren der Einschlagskrater zu erkennen. Hier wird es als ‚konzentrische Kraterfüllung‘ bezeichnet und ist auch in den kleineren Kratern der Umgebung zu finden.
Mit den aus den Stereo-Bildkanälen des Kamerasystems HRSC auf der ESA-Raumsonde Mars Express erzeugten digitalen Geländemodellen lassen sich perspektivische Ansichten der Marslandschaft erzeugen. Durch eine Verstärkung der Kontraste in den Farbdaten treten subtile Material- und Texturunterschiede deutlicher zutage. So zeigen die beiden zehn und zwölf Kilometer großen Einschlagskrater in der Bildmitte eine doppellagige Auswurfdecke. Bei näherer Betrachtung lassen sich sogar einzelne Schichten der Mantelablagerungen an den Hängen der vielen kleineren Vertiefungen links im Bild erkennen, bei denen durch Erosion die zuvor geschlossene Manteldecke durchbrochen wurde. Die ebenfalls geschichteten Kraterfüllung deuten auf eine Mischung aus Eis und Staub hin, die in der Kratermitte zusammengerutscht sind und so ihre konzentrisch linierte Oberflächenstruktur erhalten haben.
Aus dem senkrecht auf die Marsoberfläche gerichteten Nadirkanal des vom DLR betriebenen Kamerasystems HRSC auf der ESA-Sonde Mars Express und einem der vier schräg blickenden Stereokanälen lassen sich sogenannte Anaglyphenbilder erzeugen. Sie ermöglichen bei der Verwendung einer Rot-Blau- oder Rot-Grün-Brille eine dreidimensionale Ansicht der Landschaft. Norden liegt im Bild rechts. Dabei tritt die Topographie, also die Höhenunterschiede der Oberflächenformen, der vom Einfluss von Eis und Wind geformten Landschaft deutlicher als in der farbigen Draufsicht hervor, insbesondere die Thermokarst-Texturen der Füllungen der beiden zwölf beziehungsweise zehn Kilometer großen Krater in der Bildmitte.
Eis gestaltete die Landschaften in den ausgedehnten nördlichen Tiefebenen des Mars.
Sie sind Relikte aus einer Zeit, als die Drehachse des Mars viel schräger stand als heute, was zu extremen Klimaschwankungen geführt hat.
Diese Aufnahmen von einer Landschaft in Utopia Planitia wurden mit der DLR-Stereokamera HRSC während Orbit 22.150 der ESA-Raumsonde Mars Express um den Roten Planeten gemacht.
Seit 2004 kartiert die HRSC den Mars in hoher Auflösung, dreidimensional und in Farbe. Ihre Daten sind eine wichtige Ressource für die gegenwärtige und zukünftige Marsforschung.
Schwerpunkte: Raumfahrt, Planetenforschung, Mars
Diese Bilder der Marskamera HRSC (High Resolution Stereo Camera), die am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurde und am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben wird, zeigen Millionen Jahre alte, von Eis gestaltete Landschaften in Utopia Planitia. Sie ist eine von drei großen topografischen Senken auf der Nordhalbkugel des Mars. Ihr Durchmesser beträgt 3.300 Kilometer. Das Becken ist vermutlich durch den Einschlag eines Asteroiden vor etwa vier Milliarden Jahren entstanden, der über 200 Kilometer groß gewesen sein dürfte. Das zunächst mehrere Kilometer tiefe Becken füllte sich im Laufe der Zeit mit Sedimenten, Eis und Lava, die durch Wind- und Wassertransport sowie Vulkanausbrüche mit dünnflüssiger Lava dorthin transportiert wurden. In dem hier gezeigten Ausschnitt von Utopia waren in erster Linie dicke Eis- und Staubschichten, die sich wie ein Mantel über die bestehende Topographie gelegt haben, die Gestalter dieser fast schon impressionistisch gemusterten Landschaft.
Die „Ebene der Utopie“ (lateinisch und griechisch für einen ‚nicht-existierenden Ort‘, den es nur in der Imagination gibt) ist demnach – noch vor der viel markanteren Impaktstruktur Hellas Planitia im südlichen Hochland – das größte Einschlagsbecken auf dem Mars. In Utopia landete wenige hundert Kilometer weiter östlich von der hier vorgestellten Landschaft am 3. September 1976 die NASA-Sonde Viking 2. Sie erforschte parallel mit der in Chryse Planitia gelandeten Schwestersonde Viking 1 für dreieinhalb Jahre den Mars erstmals vor Ort. Im Marswinter funkte Viking 2 dabei Fotos zur Erde, die nach den kalten Nächten von Raureif bedeckte Felsen zeigten – damals eine wissenschaftliche Sensation.
Ein „schiefer Mars“ als Eismaschine
Vor zehn Millionen Jahren dürfte wesentlich mehr Eis in Utopia Planitia vorhanden gewesen sein, denn damals war die Rotationsachse des Planeten viel stärker gekippt, was zu zyklischen Änderungen des Marsklimas führt. Denn im Gegensatz zur Erde ändert sich die Neigung des Mars auf Zeitskalen von Hunderttausenden bis Millionen von Jahren erheblich. Bei der heutigen Neigung der Rotationsachse des Mars von 25,2 Grad (zum Vergleich: bei der Erde sind es 23,3 Grad) ist Eis nur in relativ bescheidenen Mengen am Nord- und Südpol vorhanden. Vor zehn Millionen Jahren könnte die Achse aber bis zu 60 Grad gegenüber der Umlaufbahn geneigt gewesen sein, was zu sehr viel extremeren Klimaschwankungen geführt hat: Eis in Utopia Planitia war eine der Konsequenzen.
Dabei entstanden die hier gezeigten „ummantelten Ablagerungen“, in der englischen Fachterminologie als „mantled deposits“ bezeichnet. Es handelt sich dabei um dicke, eis- und staubreiche Schichten, von denen angenommen wird, dass sie zuletzt vor zehn Millionen Jahren als Schnee abgelagert wurden, in den wiederum durch Wind eingetragener Staub gemischt wurde. Dieses Staub-Eis-Gemisch bedeckt und glättet die Oberfläche wie ein Mantel. Es ist sehr gut als ausgedehnte Flecken auf der linken und rechten Seite der senkrechten Draufsicht zu sehen (Bild 1). Die beiden zehn und zwölf Kilometer großen Einschlagskrater in der Bildmitte zeigen eine doppelschichtige Auswurfdecke. Bei näherer Betrachtung ist das geschichtete Erscheinungsbild der Mantelablagerungen gut an den Kraterrändern zu erkennen. Im Inneren der Einschlagskrater, wo es als ‚konzentrische Kraterfüllung‘ bezeichnet wird, ist es besonders gut zu sehen. Diese Ablagerungen sind auch in den kleineren Kratern der Umgebung zu finden.
Risse durch Schrumpfung mit dunklem Staub gefüllt
Der zweitgrößte Krater in der Bildmitte zeigt auf der Manteldecke eine typische Textur von gewundenen, konzentrisch deformierten Ablagerungen, deren Form entfernt an ein Gehirn erinnert. Sie haben durch schrittweise Alterung und Abtragung – beispielsweise durch das direkte Verdampfen von Eis – bogenförmige Vertiefungen bekommen. Unmittelbar rechts neben dem zweitgrößten Krater ist in den dunkel gefärbten Regionen ein Muster schwach sichtbar. Dieses Muster rührt vom Aufbrechen der Oberfläche durch thermische Kontraktion infolge der Abkühlung her, wodurch ein polygonales Muster im Boden entstand. In den Rissen ist vom Wind verwehter dunkler Staub abgelagert worden und für die dunkle Färbung dieser Region verantwortlich.
Die bogenförmigen, von Ablagerungen gefüllten Vertiefungen sind im gesamten Bild zu sehen. Sie haben kreisförmige bis elliptische Formen und ihre Größe variiert zwischen mehreren Zehnermetern und mehreren Kilometern bei einer Tiefe von einigen Dutzend Metern. Sie sind das Ergebnis des Abschmelzens oder des Verdampfens von Eis im Untergrund, gefolgt vom Einsturz der Oberfläche. Der Prozess der Absenkung durch Eisverlust im Untergrund wird als Thermokarst bezeichnet.
Bei näherer Betrachtung kann man auch eine Schichtung der Mantelablagerungen in und um die bogenförmigen Vertiefungen erkennen. Durch Messungen mit Radar, das im Untergrund Schichtgrenzen zwischen Eislinsen und Gestein erkennen kann, und Spektrometern, mit denen die Häufigkeit von Wasserstoff gemessen werden kann, wurde im Boden der nördlichen Tiefebenen Wassereis nachgewiesen und beispielsweise auch durch die NASA-Landesonde Phoenix (2009) bestätigt. Eis in größerer Tiefe wurde durch Beobachtungen frischer Einschlagskrater und Senken sowie vielerorts durch Radarsondierungen entdeckt.
Bildverarbeitung
Die Aufnahmen mit der HRSC (High Resolution Stereo Camera) entstanden am 12. Juli 2021 während des Orbits 22.150 von Mars Express. Die Bildauflösung beträgt etwa 19 Meter pro Bildpunkt (Pixel). Die Bildmitte liegt bei etwa 83 Grad östlicher Länge und 43 Grad nördlicher Breite. Die Farbaufsicht wurde aus dem senkrecht auf die Marsoberfläche gerichteten Nadirkanal und den Farbkanälen der HRSC erstellt, die perspektivischen Schrägansichten wurden aus den Geländemodell-Daten, den Nadir- und Farbkanälen der HRSC berechnet. Die in Regenbogenfarben kodierte Aufsicht beruht auf einem digitalen Geländemodell (DTM) der Region, von dem sich die Topographie der Landschaft ableiten lässt. Der Referenzkörper für das HRSC-DTM ist eine Äquipotentialfläche des Mars (Areoid). Die systematische Prozessierung der Kameradaten erfolgte am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. Mitarbeiter der Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung der Freien Universität Berlin erstellten daraus die hier gezeigten Bildprodukte.
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 34 Institutionen und 11 Nationen stammen.
