Mission Mars Express: Der globale Mars in Farbe, wie nie zuvor gesehen

Köln - Anlässlich des 20-jährigen Jubiläums des Starts der ESA-Raumsonde Mars Express kündigt das Wissenschaftsteam der hochauflösenden Stereokamera HRSC die bevorstehende Veröffentlichung eines globalen Farbmosaiks des Mars an, das in seiner Genauigkeit der Farbinformationen ihres Gleichen sucht und einen Einblick in die vielfältige Zusammensetzung der Gesteine, Sande und Stäube der Oberfläche bietet.

Vor genau 20 Jahren, am 2. Juni 2003, startete die Raumsonde Mars Express, die erste europäische Mission zur Erforschung eines anderen Planeten im Sonnensystem, mit einer Sojus-Trägerrakete vom kasachischen Weltraumbahnhof Baikonur. Eine Fregat-Oberstufe brachte die Mission auf eine Transferbahn zum Mars, den die Sonde am 25. Dezember desselben Jahres erreichte. Die am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte und vom DLR-Institut für Planetenforschung betriebene High Resolution Stereo Camera (HRSC) ist eines von sieben Experimenten an Bord. Ursprünglich sollte die Mission nur ein Marsjahr (zwei Erdenjahre) dauern, doch der Erfolg und die nach wie vor fehlerfrei arbeitenden Instrumente veranlassten die Europäische Weltraumorganisation ESA immer wieder, die Mission zu verlängern, zuletzt entschied die ESA, Mars Express bis Ende 2026 zu betreiben. Am 19. Oktober 2023 wird Mars Express den Mars zum 25.000 Mal auf seinem elliptischen Orbit umrundet haben. Anlässlich des 20. Jahrestags des Starts findet heute, am 2. Juni, im European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt am Ende eines wissenschaftlich-technischen Symposiums eine Feier statt.

Für die üblichen Oberflächenbilder fotografiert die HRSC den Mars normalerweise aus einer Höhe von etwa 300 Kilometern, etwa an dem Punkt, an dem die elliptische Umlaufbahn des Orbiters Mars Express dem Planeten am nächsten ist. Die daraus resultierenden Ansichten der Marsoberfläche haben dann eine räumliche Auflösung von bis zu 12,5 Metern pro Pixel und decken einen Bildstreifen von etwa 50 Kilometer Breite ab. Dank ihrer vier Farbkanäle (rot, grün, blau, infrarot) und der fünf panchromatischen Nadir-, Stereo- und Photometriekanäle kann die Stereokamera den Mars nicht nur dreidimensional, sondern auch in Farbe darstellen.

Für das hier vorgestellte globale Datenprodukt wurden jedoch 90 Einzelbilder verwendet, die aus größeren Höhen (etwa zwischen 4.000 und 10.000 Kilometer) über der Marsoberfläche aufgenommen wurden und somit Gebiete mit einer durchschnittlichen Breite von etwa 2.500 Kilometern bei geringerer räumlicher Auflösung (zwischen 200 und 800 Metern pro Bildpunkt/Pixel) abdecken (Bild 3). Solche großflächigen Bilder werden in der Regel aufgenommen, um das Wettergeschehen auf dem Mars zu beobachten. Wenn aber keine Wolken oder andere atmosphärische Phänomene auf den Bildern zu sehen sind, eignen sie sich hervorragend für die Erstellung globaler Ansichten der Marsoberfläche.

Eine vielfältigere Farbansicht

Die sich ständig verändernde Transparenz der Marsatmosphäre macht es schwierig, aus dem Orbit genaue Oberflächenfarben zu bestimmen. Die Streuung und Reflexion des Lichts am Staub in der Atmosphäre führt zu Farbverschiebungen zwischen den Bildern, so dass ein aus mehreren Bildern zusammengefügtes Mosaik einen Farbflickenteppich ergibt. Bisher hatte die Unterdrückung dieses Effekts bei der Bildverarbeitung zur Folge, dass die Farbvariationen über größere Entfernunge verringert wurden. In diesem Fall wurden neue Aufnahmen aus großer Höhe genutzt, um ein globales Farbmodell zu erstellen, das dann zur Farbreferenzierung jedes einzelnen Bildes des Mosaiks verwendet wurde, so dass die Farbvariationen über große Entfernungen erhalten bleiben und ein sichtbar vielfältigeres Farbbild des Planeten entsteht als bisher.

Jede Farbe ein anderes Material

Die hier gezeigte globale Ansicht des Mars hat eine räumliche Auflösung von zwei Kilometern pro Pixel, obwohl globale HRSC-Mosaike mit höherer Auflösung durchaus möglich und bereits in Arbeit sind. Seit ihrer Inbetriebnahme im Januar 2004 hat die HRSC fast den gesamten Planeten mit seiner Fläche von 150 Millionen Quadratkilometer in Bildauflösungen von 50 bis 20 Metern pro Pixel aufgenommen, viele Gebiete auch in der bestmöglichen Auflösung von 12,5 Metern pro Pixel. Dieses kontrastverstärkte Mosaik in hundertfach niedriger Auflösung (Bild 1) zeigt eine noch nie dagewesene Vielfalt und Detailtreue der Farben auf der Marsoberfläche und gibt gleichzeitig Aufschluss über deren Zusammensetzung.

Es ist allgemein bekannt, dass der größte Teil der Marsoberfläche rötlich gefärbt ist, was auf den hohen Anteil von oxidiertem Eisen im Staub auf der Oberfläche zurückzuführen ist und ihm den Spitznamen „Roter Planet“ eingebracht hat. Aber es fällt auch sofort auf, dass ein nicht geringer Teil des Mars eher dunkel, auf Bild 1 bläulich, gefärbt ist. Tatsächlich handelt es sich um gräulich-schwarze-blauschwarze Sande, die vulkanischen Ursprungs sind und ausgedehnte dunkle Sandschichten auf dem Mars bilden, vor allem aber auch vom Wind zu imposanten Sanddünen oder riesigen Dünenfeldern auf dem Boden von Einschlagskratern aufgeschüttet wurden. Diese unverwitterten Sande bestehen aus dunklen, basaltischen Mineralen, aus denen auch vulkanische Lava auf der Erde zusammengesetzt ist. Basalt ist das auf der Erde – und im gesamten Sonnensystem – am weitesten verbreitete Vulkangestein. Die gesamten Ozeanböden auf der Erde bestehen aus Basalt, aber auch die erloschenen Vulkane der Eifel, der Ätna auf Sizilien oder die hawaiianischen Vulkane.

Vulkanisches Material, das auf dem Mars unter dem Einfluss von einst vorhandenem Wasser verwittert ist, neigt dagegen dazu, mit der Zeit hellere Farbtöne anzunehmen. So erscheinen beispielsweise Ton- und Sulfatminerale, die beiden häufigsten Mineralien auf dem Mars, die durch den Kontakt von erkalteter Lava mit Wasser entstanden sind, auf solchen Farbkompositen besonders hell und sind bei näherer Betrachtung relativ leicht zu erkennen. Eines der größten Tonmineralvorkommen auf dem Mars rund um den ehemaligen Ausflusskanal Mawrth Vallis ist auf dieser Ansicht des Mosaiks nicht zu sehen, wurde aber bereits früher von der HRSC beobachtet und zeugt von der langfristigen Existenz von Wasser auf dem Mars, wobei das ursprüngliche, basaltische Ausgangsgestein bei neutralem pH-Wert und relativ warmen Temperaturen zu Tonmineralen verwitterte.

Große Vorkommen der ebenfalls hellen Sulfatminerale wie Gips (Kalziumsulfat) oder Kieserit (Magnesiumsulfat) sind hingegen in dieser Ansicht des Mosaiks zu sehen, und zwar innerhalb des Canyonsystems der Valles Marineris (Bild 4), einem riesigen, über 4.000 Kilometer langen Grabenbruch entlang des Marsäquators. Hier sind sie von einer dünnen Schicht dunklen Sandes bedeckt und zeigen daher erst bei näherer Betrachtung durch die HRSC ihre beeindruckenden Farbvariationen. Sulfatminerale weisen auf weniger lebensfreundliche Umweltbedingungen bei niedrigen pH-Werten mit eher saurem Milieu hin.

Schwache, helle bis hellblaue Bereiche sind ein Hinweis auf Wolken in der Atmosphäre (Bild 4), da bei der Erstellung dieser ersten Version des globalen Mosaiks Bilder mit Wolken bisher nicht vermieden werden konnten. Die Tiefen der Valles Marineris sind ebenfalls von atmosphärischen Erscheinungen überlagert. Dabei handelt es sich jedoch um Nebel und Dunst (Bild 4), die sich zu bestimmten Tages- und Jahreszeiten besonders gerne in Senken bilden.

Die Entwicklung der Farbmodellmethode und die Bearbeitung des Mosaiks wurden von Greg Michael durchgeführt, der zum HRSC-Team der Freien Universität Berlin gehört. Für die Aufnahme und Planung der HRSC-Aufnahmen war das Kamerateam des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof verantwortlich. Nach der Veröffentlichung des wissenschaftlichen Artikels über das Mosaik wird der georeferenzierte Datensatz über die ESA guest storage facility zur Verfügung gestellt.

Quelle-Bild: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)/ESA-DLR-FU Berlin(G.Michael), Simulierte Ansicht des HRSC-Farbmosaiks aus 2500 km Höhe über dem Grabenbruch der Valles Marineris entlang des Marsäquators, mit lokal kontrastverstärkter Farbe.