Frühsommer in der Mars Südhemisphäre

Die Hauptaufgabe der deutschen Stereokamera HRSC an Bord der ESA-Raumsonde Mars Express ist es eigentlich, möglichst hochauflösende Bilddaten für die Kartierung des Mars zu gewinnen. Dazu nimmt sie mit dem senkrecht auf die Oberfläche gerichteten optischen System die Marsoberfläche auf. Hierbei entstehen Bildstreifen, die etwa 200 bis 500 Kilometern breit und mehrere hundert bis über tausend Kilometer lang sind. Gelegentlich wird die HRSC allerdings zur Kalibration der neun Kanäle der Kamera in Richtung des Horizonts ausgerichtet, sodass ein viel größerer Teil des Planeten ins Blickfeld gerät. Bei solch einer Kalibration entstand diese spektakuläre Echtfarbenaufnahme des Südpols und der südlichen Hemisphäre bis nahe an den Marsäquator. Mitarbeiter der Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung der Freien Universität Berlin erstellten die hier gezeigten Bildprodukte. Die systematische Prozessierung der Daten erfolgt am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof.

Südpol Farbaufsicht
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Südhalbkugel des Mars aufgenommen von der HRSC in Orbit 14150. In der unteren Bildhälfte ist die Südpolkappe des Mars zu erkennen, die aus einer Mischung aus Wasser- und Kohlendioxideis besteht. Auf den dunklen Flächen befinden sich Ansammlungen dunkler, vulkanischer Sande. Kreisrunde Strukturen stellen Einschlagskrater dar.  

 

Im Süd-Sommer befindet sich die kleine permanente Eiskappe, die im Wesentlichen aus Wassereis besteht, noch im Licht der höher stehenden Sonne. Das Eisfeld hat einen Durchmesser von etwa 400 Kilometer und ist in der Mitte vermutlich mindestens drei Kilometer mächtig – das sind Dimensionen, die durchaus mit der Antarktis oder dem nordpolaren Grönland-Eisschild auf der Erde vergleichbar sind. Während des sechsmonatigen Winters hingegen erreicht kein Lichtstrahl den Südpol, und die Temperaturen fallen auf bis zu minus 133 Grad Celsius. Dann rieselt auch Kohlendioxid als Schnee aus der Atmosphäre und lässt die Eiskappe weit nach Norden, bis fast zum 60. südlichen Breitengrad, anwachsen. Diese Decke aus Kohlendioxideis ist aber nur etwa einen Meter dick und verschwindet mit dem Sonnenlicht des nächsten Frühlings wieder. Nur im Kernbereich des Südpols bleibt eine dünne Schicht zurück, die an dem besonders hellen Weiß zu erkennen ist (Bild 1).

 

Auch unter der Oberfläche in der Umgebung der Eiskappe sind beträchtliche Mengen an Wassereis gespeichert, wie das Radarexperiment MARSIS an Bord von Mars Express herausgefunden hat. Zu erkennen sind diese Gebiete mit den unterirdischen Eis-Reservoirs an der vom winterlichen Kohledioxideis geglätteten Oberfläche in der unmittelbaren Umgebung der Eiskappe. Würde die gesamte, geschätzte Wassereismenge des Südpols schmelzen und über den Planeten verteilt werden, entstünde ein globaler Ozean von elf bis 20 Metern Tiefe.

       

Nachjustierung des opto-elektronischen Kamerasystems

Kalibrationsaufnahmen dieser Art werden nach der englischen Bezeichnung für den „Kehrbesen“ als „broom calibration“-Bilder bezeichnet. Dabei werden die quer zur Flugrichtung angeordneten, lichtempfindlichen Sensoren, die aus einer einzigen Scannerzeile mit 5184 lichtempfindlichen „Pixeln“ bestückt sind, durch einen Schwenk der Raumsonde in Richtung des Horizonts aus der Senkrechten wie ein Besen in Nord-Süd- oder Süd-Nord-Richtung aus großer Höhe (hier 990 Kilometer) über den Planeten geschwenkt. Dabei werden entlang der Schwenkrichtung Gebiete mit identischen Beleuchtungsbedingungen erfasst. Dies dient zur Eichung der einzelnen Sensoren: Bei der HRSC sind es vier Farbkanäle, vier Stereokanäle und ein üblicherweise senkrecht auf die Planetenoberfläche gerichteter Nadirkanal, der die höchste Auflösung erzielt. Dieser Vorgang muss im Missionsverlauf immer wieder durchgeführt werden, um die Qualität der Bilddaten über den nunmehr schon elfeinhalbjährigen Einsatz der Kamera zu gewährleisten.

 

Vereinfacht ausgedrückt müssen die in den einzelnen Kanälen aufgezeichneten Helligkeitswerte aus dem ersten Missionsjahr, 2004, absolut vergleichbar sein mit den aktuellen Bilddaten, um ein auf Grundlage der Bilder ermitteltes wissenschaftliches Ergebnis nachvollziehbar machen zu können. Die Empfindlichkeit opto-elektronischer Bauteile verändert sich im Laufe der Jahre. Mithilfe dieser Kalibrationsbilder können die Bilddaten und Aufnahmeparameter mit den Eichwerten von vor dem Start der Mission verglichen werden. Dadurch ermitteln die Wissenschaftler den Rechenalgorithmus, durch den diese nachjustiert werden müssen.

                          

Südpol Mola-Farbkodierte Übersichtskarte
Ausdehnung des HRSC-Bildstreifens 14150 eingezeichnet auf eine globale Ansicht des Mars, auf der die Oberflächenhöhen farblich kodiert sind. Hochgelegene Gebiete sind orangefarben und rötlich, tiefer gelegene Gebiete werden in Blau- und Grüntönen dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Bildstreifen große Teile von Hellas Planitia, dem größten Einschlagsbecken auf dem Mars, abdeckt. Die Südpolkappe ganz unten in Bild erkennt man anhand der Rotfärbung.

   

Am oberen (nördlichen) Rand des Bildes erscheint der Horizont etwas diffus, vereinzelt gibt es dort auch Wolken. Durch den langen, flachen Lichtweg durch die Atmosphäre, in der sich Staub und Aerosole befinden, wird das Bild etwas eingetrübt. Im Nordwesten, links oben, sind die einzelnen Schichten der dünnen Marsatmosphäre deutlich zu sehen - vermutlich treten die tiefer liegenden Schichten so deutlich hervor, weil sich ein beträchtlicher Anteil an Staub in ihnen befindet.

 

In der linken oberen Bildhälfte ist Hellas Planitia leicht auszumachen. Es ist mit 2200 Kilometern Durchmesser und acht Kilometer Tiefe das größte Einschlagsbecken auf dem Mars und erstreckt sich über mehr als 30 Breitengrade. An seinem Nordostrand sieht man die Taleinschnitte von Dao und Niger Valles, zwei sehr prominente Abflusstäler, die sich ins Hellasbecken erstrecken. Auch ein Teil des Reull Vallis ist zu sehen. Außergewöhnlich gut lassen sich auf dem Bild zahlreiche große dunkle Dünenfelder identifizieren, die vom Wind in den Vertiefungen der Krater im südlichen Marshochland angehäuft wurden. Zum Größenvergleich: Der Krater Huxley in der Bildmitte hat einen Durchmesser von etwa 100 Kilometern.

                

Bildverarbeitung und das HRSC-Experiment auf Mars Express

Die Aufnahmen mit der HRSC (High Resolution Stereo Camera) entstanden am 25. Februar 2015, als sich Mars Express in Orbit 14150 befand. Die Bildauflösung beträgt etwa 1 Kilometer pro Bildpunkt (Pixel). Die Bildmitte liegt bei etwa 281 Grad östlicher Länge und 39 Grad nördlicher Breite. Das Farbbild (Bild 1) wurde aus dem senkrecht auf die Marsoberfläche gerichteten Nadirkanal und den Farbkanälen der HRSC erstellt. Die in Regenbogenfarben (Bild 2) kodierte Draufsicht beruht auf einem digitalen Geländemodell des Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) Experiments an Bord der Mars Global Surveyor (MGS) Raumsonde der NASA.

     

Bildrechte

Bilder 1 und 2: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO

Südpol Übersichtskarte: NASA/JPL (MOLA), FU Berlin

Südpol Viking Karte: NASA/Viking, FU Berlin

 

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Die High Resolution Stereo Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und in Kooperation mit industriellen Partnern gebaut (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH). Das Wissenschaftsteam unter Leitung des Principal Investigators (PI) Prof. Dr. Ralf Jaumann besteht aus 52 Co-Investigatoren, die aus 34 Institutionen und elf Nationen stammen. Die Kamera wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben.