Planetenphysik

Wissenschaftliche Beschreibung

Aufbau und Entwicklung planetarer Körper werden durch endogene, d.h. tief im Innern auftretende Prozesse auf vielfältige Weise beeinflusst. Endogene Prozesse haben Auswirkungen auf geologische und tektonische Strukturen an Planetenoberflächen und können zudem mit Hilfe von Raumsonden durch die globale und regionale Vermessung der zugehörigen Magnet- und Schwerefelder, oder auch durch in-situ Messungen erfasst werden. Obgleich die terrestrischen Planeten viele Gemeinsamkeiten hinsichtlich ihrer Entstehung, chemischen Zusammensetzung und des inneren Aufbaus aufweisen, etwa die Unterteilung in einen eisenreichen Kern, einen silikatischen Mantel und eine feste Kruste, unterscheiden sie sich doch in wesentlichen Merkmalen. Die Hauptziele der Abteilung bestehen somit in der modellhaften Herausarbeitung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden und dienen zudem einem tieferen Verständnis der besonderen Stellung, die die Erde unter den terrestrischen Planeten einnimmt.

Themenschwerpunkte

Innerer Aufbau planetarer Körper

Planetenphysik

Eine wichtige wissenschaftliche Zielsetzung interplanetarer Raumfahrt-Missionen betrifft die Ermittlung des inneren Aufbaus unserer Nachbarplaneten und ihrer zahlreichen Monde. Auf der Erde wird hierfür erfolgreich die Seismologie angewendet. Für die anderen terrestrischen Körper gibt es außer von den Apollo-Missionen für den Mond bisher keine seismischen Daten. Wesentliche Informationen über den inneren Aufbau liefern deshalb Daten des Schwerefeldes, des Rotationszustandes und der Topographie der planetaren Körper. In Zukunft soll in der Abteilung insbesondere die wissenschaftliche Auswertung der Schwere- und Topographiedaten der BepiColombo Mission vorbereitet werden.

Innere Dynamik von Planeten und Monden
Endogene Prozesse werden im Wesentlichen durch thermische und chemische Konvektion in Mantel und Kern der planetaren Körper hervorgerufen. Diese dynamischen Prozesse im Inneren werden durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst wie beispielsweise dem inneren Aufbau, dem Wärmetransportmechanismus (Plattentektonik, Ein-Plattentektonik) und die chemische Zusammensetzung inklusive der Verteilung radioaktiver Elemente und den Gehalt an volatilen Elementen. Die meist komplexen Zusammenhänge, die sich zum Teil auf den planetaren Oberflächen widerspiegeln, machen die Besonderheit der einzelnen Körper aus und werden in der Abteilung untersucht.

Morgennebel auf dem Mars

Planetare Oberflächen
Die planetaren Oberflächen werden durch Wechselwirkungen mit dem Planeteninneren und der Atmosphären geprägt; sie stellen somit eine wichtige Grenzfläche in der Planetenentwicklung dar. Zumeist besteht das Oberflächenmaterial aus Lockergestein dem Regolith, der für viele Planeten, Monde und kleine Körper des Sonnensystems charakteristisch ist. Zusätzlich zu den Untersuchungen über die chemische und mineralogische Zusammensetzung, lassen sich aus den unterschiedlichen physikalischen und thermischen Eigenschaften des Regoliths auch die Prozesse erkennen, die das Gestein im Laufe der Entwicklung verändert haben. Die Untersuchung des Gesteins insbesondere unterhalb der Oberfläche bietet die Möglichkeit, die Geschichte der planetaren Körper teilweise bis zu Milliarden von Jahren zurück zu verfolgen.

Wasser in der Marsoberfläche
Missionen zum Mars haben gezeigt, dass Wasser eine große Rolle in seiner planetaren und möglicherweise biologischen Entwicklung spielte und noch spielt. Abhängig von den thermophysikalischen Bedingungen auf der Oberfläche kann das Wasser in der Form von flüssigem Wasser, Eis oder Adsorbatwasser vorliegen. Durch unsere Arbeiten im DLR wurde herausgearbeitet, dass im oberen Marsboden auch in mittlerer und äquatorialer Breiten Adsorbatwasser vorhanden ist. Diese behält auch bei den dort herrschenden Temperaturen Flüssigkeitseigenschaften, die zu bemerkenswerten und vertiefter zu untersuchenden physikalischen, chemischen und evtl. auch biologischen Konsequenzen führen.

Methoden

Zur Erreichung der wissenschaftlichen Aufgaben wird mit Methoden gearbeitet, die sowohl theoretische Modellrechnungen, als auch Entwicklungen wissenschaftlicher Instrumente und Labormessungen beinhalten. Wissenschaftler der Abteilung beteiligen sich zudem an internationalen Welttraummissionen wie Mars Express, Venus Express, Rosetta, sowie künftig BepiColombo. Die Methoden sind im Einzelnen:

Modellrechnungen

• Innerer Aufbau unter Zuhilfenahme von Labordaten physikalischer Materialeigenschaften.
• Thermische Entwicklung und Manteldynamik terrestrischer Körper mit parametrisierten und komplexen zwei- oder drei-dimensionalen Konvektionsmodellen.
• Berechnung thermischer und physikalischer Parameter planetarer Oberflächen
• Modellierung der Präsenz von Adsorbatwasser im oberen Marsboden
• Planung seismologischer Netzwerke (Standorte der Stationen, Auswerte-Software) für den Einsatz unter den speziellen Bedingungen einer Marsmission.

Entwicklung wissenschaftlicher Instrumente

• In-situ Experimentiertechnik zur Messung von thermischen und physikalischen Parametern des Oberflächenmaterials (Thermalsonden)
• In-situ Experimentiertechnik zur Messung von Adsorbatwasser im Marsboden.

Labormessungen

• Experimente an mineralischen und ggf. biologischen sowie technischen Materialien im Feuchtemesslabor (als Testkammer)
• Emissivitätsmessungen im Labor an feinkörnigem Materialien zur Erstellung eines Referenzkatalogs für MERTIS