30. März 2022
Mission Mars Express

Ge­fro­re­ne Schön­heit im Nor­den des Mars

Senkrechte Draufsicht auf einen Ausschnitt von Utopia Planitia
Senk­rech­te Drauf­sicht auf ei­nen Aus­schnitt von Uto­pia Pla­ni­tia
Bild 1/6, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

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.
Perspektivischer Blick aus Osten
Per­spek­ti­vi­scher Blick aus Os­ten
Bild 2/6, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Perspektivischer Blick aus Osten

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.
Perspektivischer Blick aus Nordwesten
Per­spek­ti­vi­scher Blick aus Nord­wes­ten
Bild 3/6, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Perspektivischer Blick aus Nordwesten

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. An dem zwölf Ki­lo­me­ter großen Kra­ter im Vor­der­grund zeigt der das Ter­rain über­de­cken­de Man­tel aus Staub und ehe­mals Eis ei­ne ty­pi­sche Tex­tur von ge­wun­de­nen, kon­zen­trisch de­for­mier­ten Ab­la­ge­run­gen und durch schritt­wei­se Al­te­rung und Ab­tra­gung – bei­spiels­wei­se durch das di­rek­te Ver­damp­fen von Eis – ent­stan­de­ne bo­gen­för­mi­ge Ver­tie­fun­gen.
Utopia Planitia in der Nordhemisphäre des Mars
Uto­pia Pla­ni­tia in der Nord­he­mi­sphä­re des Mars
Bild 4/6, Credit: NASA/JPL-Caltech/MOLA; FU Berlin

Utopia Planitia in der Nordhemisphäre des Mars

In den nörd­li­chen Tiefebe­nen des Mars ist Uto­pia Pla­ni­tia ei­ne der drei großen to­po­gra­fi­schen Sen­ken. Das 3300 Ki­lo­me­ter mes­sen­de Ein­schlags­be­cken füll­te sich im Lau­fe der letz­ten vier Mil­li­ar­den Jah­re mit Se­di­men­ten, La­va und zeit­wei­se auch Eis. Die vom Deut­schen Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt be­trie­be­ne Mars­ka­me­ra HR­SC auf dem ESA-Or­bi­ter Mars Ex­press fo­to­gra­fier­te am 12. Ju­li 2021 den ein­ge­zeich­ne­ten Bild­strei­fen. Hier vor­ge­stellt wer­den die Land­schaf­ten im klei­nen recht­e­cki­gen Aus­schnitt, der et­wa 90 mal 200 Ki­lo­me­ter groß ist, das ent­spricht et­wa der Flä­che Sach­sens.
Topographische Bildkarte eines Teils von Utopia Planitia
To­po­gra­phi­sche Bild­kar­te ei­nes Teils von Uto­pia Pla­ni­tia
Bild 5/6, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Topographische Bildkarte eines Teils von Utopia Planitia

Die DLR-Ste­reo­ka­me­ra HR­SC auf der ESA-Missi­on Mars Ex­press nimmt mit ih­ren neun quer zur Nord-Süd-Flug­rich­tung an­ge­ord­ne­ten Sen­so­ren die Mar­so­ber­flä­che un­ter ver­schie­de­nen Win­keln und mit vier Farb­kanä­len auf. Aus den vier schräg­ge­stell­ten Ste­reo­kanä­len und dem senk­recht auf den Mars ge­rich­te­ten Na­dir­ka­nal be­rech­nen Wis­sen­schaft­ler­teams am DLR-In­sti­tut für Pla­ne­ten­for­schung und der Frei­en Uni­ver­si­tät Ber­lin di­gi­ta­le Ge­län­de­mo­del­le, die je­dem Bild­punkt ei­ne Hö­hen­in­for­ma­ti­on zu­ord­nen. An der Farbs­ka­la rechts oben im Bild las­sen sich die Hö­hen­un­ter­schie­de ab­le­sen. Sie sind in der Uto­pia-Tiefebe­ne auf der Nord­halb­ku­gel nicht sehr stark aus­ge­prägt: Zwi­schen den am tiefs­ten ge­le­ge­nen, blau ein­ge­färb­ten Ge­bie­ten bis zu den am höchs­ten ge­le­ge­nen, grau ein­ge­färb­ten Kra­ter­rän­dern in der Bild­mit­te lie­gen nur 400 Hö­hen­me­ter. Die fast kreis­run­de, dun­kelblaue De­pres­si­on rechts der Bild­mit­te deu­tet auf ei­nen sehr al­ten, fast voll­stän­dig von der Ero­si­on aus­ge­lösch­ten Kra­ter hin. Nor­den ist rechts im Bild.
Anaglyphenbild von Utopia Planitia
Ana­gly­phen­bild von Uto­pia Pla­ni­tia
Bild 6/6, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Anaglyphenbild von Utopia Planitia

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.

Diese Bilder in hoher Auflösung und weitere Bilder der HRSC finden Sie in der Mars Express-Bildergalerie auf flickr.

Kontakt
  • Elke Heinemann
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

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    Telefon: +49 2203 601-2867
    Linder Höhe
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  • Dr. Daniela Tirsch
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  • Ulrich Köhler
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