Wie die Erde erfährt der Mars im Laufe eines Jahres aufgrund der Schieflage seiner Rotationsachse klimatische Schwankungen. Dies führt zur jährlichen Ablagerung/Sublimation des CO2-Eis/Schnees, was zur Bildung der saisonalen Polkappen führt. In ähnlicher Weise führen diese Temperaturschwankungen zu einer Wechselwirkung zwischen der Atmosphäre und den polaren Eiskappen, die sich saisonal auf die Oberflächenmerkmale auswirkt.
Auf dem Mars funktioniert es jedoch etwas anders. Neben Wassereis besteht ein erheblicher Anteil der polaren Eiskappen des Mars aus gefrorenem Kohlendioxid („Trockeneis“). Kürzlich nutzte ein internationales Wissenschaftlerteam Daten von NASAs Mars Global Surveyor (MGS) Mission zu messen, wie die polaren Eiskappen des Planeten wachsen und gehen jährlich zurück. Ihre Ergebnisse könnten neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich das Marsklima aufgrund der jahreszeitlichen Veränderungen ändert.
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, wurde von Haifeng Xiao geleitet, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter bei der Institut für Geodäsie und Geoinformationswissenschaft an der Technischen Universität Berlin. Er wurde von Forschern der Stanford University, der Université Paris-Saclay, der Universitätsinstitut von Frankreich , und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Planetenforschung und Institut für Atmosphärenphysik .
Zeitraffervideo, das die Sublimation der saisonalen Polkappe am Nordpol des Mars zeigt. Bildnachweis: W. M. Calvinet al. (2015)
Was wir über die polaren Eiskappen des Mars wissen, weist darauf hin, dass sie aus drei Teilen bestehen. Erstens gibt es die verbleibende (oder dauerhafte) Eiskappe, die am Nordpol aus mehreren Meter dicken Wassereisschichten und am Südpol einer 8 Meter dicken Schicht aus gefrorenem Kohlendioxid besteht. Darunter befinden sich die Polar Layered Deposits (PLDs), die 2 bis 3 km dick sind und aus Wassereis und Staub bestehen.
Zuletzt ist die saisonale Eiskappe, eine Schicht aus gefrorenem CO2jeden Winter auf den permanenten Eiskappen abgelagert. Für ihre Studie konzentrierten sich Haifeng und seine Kollegen auf die saisonalen Eiskappen, um zu zeigen, wie sie von saisonalen Temperaturen und Sonneneinstrahlung beeinflusst werden – und wie dies mit den jährlichen Schwankungen des Marsklimas zusammenhängt. Wie Haifeng Universe Today per E-Mail sagte:
„Jedes Marsjahr werden ungefähr 30 % des CO . der Atmosphäre2Masse steht durch die jahreszeitliche Ablagerung/Sublimation in lebhaftem Austausch mit den polaren Oberflächen. Zeitliche Variationen von Schnee-/Eisniveaus und -mengen, die mit diesem Prozess verbunden sind, können das Mars-Klimasystem und die volatilen Zirkulationsmodelle entscheidend einschränken.
„Außerdem ist die saisonale Akkumulation des CO2Eis, um diese saisonalen Polkappen zu bilden, kann durch Staubstürme, kalte Stellen, katabatische und orographische Winde und lokale Schatten beeinflusst werden. Somit könnten kurz- und langfristige Variabilitäten der saisonalen Polkappen auch auf die Variabilitäten des Marsklimas hinweisen.“
Während eines Marsjahres, das über 687 Erdtage (oder 668,5 Sonnentage) dauert, führen jahreszeitliche Veränderungen dazu, dass atmosphärisches Kohlendioxid vom Nordpol zum Südpol (und umgekehrt) wandert. Diese jahreszeitlichen Aktionen sind für den Transport großer Staub- und Wasserdampfmengen verantwortlich, was zu Frösten und der Bildung großer Zirruswolken führt, die aus dem Weltraum sichtbar sind.
Dieses Bild vom Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) zeigt die „Spinnen“, die aus demKohlendioxid-Eiskappe beider Südpol des Mars. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Dieser Prozess der Sublimation und des Austauschs zwischen den Polen ist auch für bemerkenswerte geologische Merkmale auf dem Mars verantwortlich, wie das araneiforme Gelände (auch bekannt als „Spinnen“) in der Nähe des Südpols und die Art und Weise, wie die Dünenfelder in den nördlichen Ebenen bei der Ankunft zerfurcht werden der Jahreszeiten. Wie Haifeng erklärte, könnte das Verständnis der Beziehung zwischen den saisonalen Polkappen und der Bildung geologischer Merkmale auf dem Mars zu einem besseren Verständnis der Marsumgebung führen.
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden Messungen der polaren Eiskappen mit verschiedenen Methoden durchgeführt – Gravitationsvariation, Neutronen- und Gammastrahlenfluss – und auf der Grundlage von Modellen der allgemeinen Zirkulation und der Energiebilanz modelliert. Haifeng und seine Kollegen stützten sich für ihre Studie auf Daten des Mars Orbiter Laser Höhenmesser (MOLA)-Instrument an Bord des MGS, um genaue Messungen der Höhe und des Volumens der polaren Eiskappen des Mars im Laufe der Zeit zu erhalten.
Dies bestand darin, die MOLA Precision Experiment Data Records (PEDR) – oder die individuellen Höhenmesswerte von MOLA – unter Verwendung der neuesten verfügbaren MGS-Bahndaten und des Mars-Rotationsmodells erneut zu verarbeiten. Anschließend registrierten sie diese Profile selbst in einem in sich konsistenten digitalen Geländemodell (DTM), das als statische mittlere Oberflächenmessung für den Mars diente. Wie Haifeng erklärte:
„Wir haben die gemeinsame Registrierung von lokalen dynamischen Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA)-Profilsegmenten mit statischen digitalen Geländemodellen (DTMs) als Ansatz vorgeschlagen und validiert, um saisonale CO2-Eisbedeckungstiefenvariationen auf dem Mars zu erhalten. Darüber hinaus haben wir ein Nachkorrekturverfahren basierend auf den Pseudo-Cross-Overs von MOLA-Profilen vorgeschlagen, um die Präzision der Tiefenvariations-Zeitreihen weiter zu verbessern.“
„Zerfurchte“ Dünen in der Kraterregion nahe dem Nordpol des Mars. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona
Daraus erhielt das Team eine Reihe von Höhenänderungsmessungen, die in einer Testregion über der verbleibenden Polkappe des Südpols durchgeführt wurden, wo der tiefste Schnee/Eis zu erwarten ist.
mit einer Genauigkeit von ~4,9 cm (1,93 Zoll) und Höhenunterschieden von Spitze zu Spitze von ~2,2 m (7,2 ft). Das Team dehnte diese Ergebnisse auch auf den gesamten Südpol aus, den sie in einer weiteren Studie, die bald veröffentlicht werden soll, genauer behandeln möchten. Haifeng und seine Kollegen planen auch, ihre Ergebnisse mit Radar-Höhendaten zu vergleichen, die vom Shallow RADar Sounder (SHARAD) an Bord der NASA Mars-Aufklärungsorbiter ‘s (MRO).
„Als nächsten Schritt werden wir die SHARAD-Radaraltimetrie ausprobieren, um die MOLA-Messungen zu validieren und die langfristige saisonale Tiefenentwicklung der saisonalen Polkappen des Mars abzuleiten, die auch für die Bewertung der Langzeitstabilität wichtig sein wird der darunter liegenden Mars-Residual-Polarkappen, insbesondere der Rest-Süd-Polarkappe, die als quasi-stabil gilt“, sagte Haifeng.
Diese Messungen werden es Planetenforschern ermöglichen, viel mehr über das Marsklima und seine jährlichen Veränderungen zu erfahren. Sie werden auch dazu beitragen, zukünftige Roboter- und menschliche Erkundungsmissionen zum Roten Planeten vorzubereiten, die noch für einige Zeit im nächsten Jahrzehnt erwartet werden.
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