Der Oberflächenwärmefluss ist ein Schlüssel zur Charakterisierung des thermischen Zustands eines Planeten und besitzt einen beträchtlichen Einfluss auf Plattentektonik, Magmatismus und geologische Prozesse, die auf der Oberfläche stattfinden. Die Größe des Wärmeflusses ist eng mit der Konzentration von radioaktiven Quellen im Planeteninneren verbunden und seine räumliche Variabilität lässt Schlüsse auf die Art des Wärmetransports im Mantel zu. Eine Bestimmung des planetaren Wärmeflusses erfordert zwei unabhängige Messungen, wobei die thermische Leitfähigkeit sowie der Temperaturgradient im Untergrund bestimmt werden müssen. Für diese Messungen sind daher für gewöhnlich Bohrungen notwendig, was mit hohem technischem Aufwand verbunden ist.
Während Wärmeflussmessungen an mehr als 20.000 Orten auf der Erde durchgeführt wurden, ist der Wärmefluss anderer planetaren Körpern aufgrund der großen technischen Herausforderungen bisher lediglich auf dem Mond direkt bestimmt worden. Diese Messungen wurden von Astronauten während der Apollo 15 und 17 Missionen auf dem Mond durchgeführt, wobei die Thermalsonden in von Hand gebohrte Löcher eingeführt wurden.
Das DLR Institut für Planetenforschung ist mit der Entwicklung der Wärmeflusssonde HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) an der InSight Mars Mission der NASA beteiligt. InSight soll den roten Planeten 2016 erreichen, und dort für zunächst 2 Jahre Messungen durchführen. Neben Entwicklung, Bau, und Kalibrierung von HP3 ist das DLR Institut für Planetenforschung für die wissenschaftliche Datenanalyse und Interpretation verantwortlich. In diesem Zusammenhang werden neben Dateninversionsalgorithmen auch mathematisch numerische Modelle des Marsbodens erstellt (Abbildung 1).
Abbildung 1: Finite Elemente Modell, wie es für die Untersuchung des Einflusses Schatten auf die Untergrundtemperaturen benutzt wird. Oben: Schematischer Modellaufbau. Unten: Resultierende Temperaturstörungen zwei Marsjahre nach der Landung (DLR).
Radiometer kommen bei der Bestimmung der Oberflächentemperatur planetarer Körper zum Einsatz. Neben den Oberflächentemperaturen an sich sind hierbei vor allem die thermophysikalischen Eigenschaften des Bodens von Interesse. Diese geben unter Anderem über die Kompaktierung des Bodens sowie den Anteil von grobkörnigem Material Aufschluss. Letzteres kann im Hinblick auf die Bodenentstehung interpretiert werden. Bei kleinen Körpern wie Asteroiden kommt den thermophysikalischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und Kapazität eine besondere Bedeutung zu, da die asymmetrische Abstrahlung von Wärme die Bahn der Asteroiden beeinflussen kann (Poynting-Robertson Effekt). Das DLR Institut für Planetenforschung ist mit verschiedenen Radiometern an laufenden Weltraummissionen beteiligt. Neben dem Rosetta MUPUS-TM (Thermal Mapper) und dem MERTIS Radiometer werden das HP3-Radiometer der InSight Mission sowie das MASCOT Radiometer MARA der Hayabusa II Mission am Institut entwickelt und gebaut. Auch für diese Instrumente fällt die Datenanalyse und Interpretation in die Verantwortung des Institutes.
Abbildung 2: CAD Modell des Hayabusa II MASCOT Landers. Das Radiometer ist zwischen dem Spektrometer MicOmega (links) und der MASCOT Kamera (rechts) montiert. Die Gesichtsfelder der 6 MARA Sensoren sowie das Gesichtsfeld der Kamera sind angedeutet.
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