Institut für Planetenforschung Berlin-Adlershof

Wissenschaftliche Datenauswertung

• Photometrie
• Begleitende Laboruntersuchungen
• Geologie

Photometrie

Die Mars Pathfinder Mission stellt eine einzigartige Gelegenheit dar, um photometrische quasi in-situ Messungen in einem großen Bereich von Beobachtungs- und Beleuchtungsgeometrien direkt an den planetaren Objekten durchzuführen. Die photometrische Helligkeit hängt auf eine komplizierte Weise vom Sonneneinfallswinkel, vom Emissionswinkel und vom Phasenwinkel ab. Bisher waren photometrische Untersuchungen planetarer Oberflächen von Raumschiffen aus durch begrenzte Beleuchtungs- und Beobachtungsgeometrien eingeschränkt. Im Gegensatz dazu aöknnen bei Mars Pathfinder Beobachtungen in einem großen Winkelbereich und während eines vollen Mars-Tages durchgeführt werden, d.h. Inzidenz- und Phasenwinkel werden in ihrem vollen Bereich abgedeckt. Damit können die photometrischen Funktionen gestützt auf Messungen aus dem gesamten Wertebereich ihrer Input-Parameter bestimmt werden.

Diese photometrische Datenbasis wird zur Parameterbestimmung von einfachen (z.B. Minnaert, Lambert) und komplexen (z.B. Hapke, Lumme/Bowell) photometrischen Funktionen genutzt. Die photometrischen Parameter dieser Funktionen lassen sich als physikalische Eigenschaften der Oberflächenmaterialien interpretieren und werden mit den Resultaten anderer Experimente am Landeplatz und im Labor verglichen: die Minnaert und Lambert Funktionen liefern die Albedo, während die komplexeren Hapke und Lumme/Bowell Funktionen Aussagen über Streu-Albedo, Porsitt, spezifische Volumendichte, mittlere makroskopische Neigung sowie die Amplitude des Oppositionseffekts erlauben. Die photometrischen Eigenschaften der Oberfläche werden außerdem in Abhängigkeit von der Tageszeit untersucht, um entsprechende Zusammenhänge zu ermitteln (z.B. Bodenfrost).

Begleitende Laboruntersuchungen

Die Interpretation photometrischer und spektraler Messungen hinsichtlich physikalischer und mineralogischer Eigenschaften der Oberfläche erfordert ein Verständnis der Beziehungen zwischen photometrischen, physikalischen und spektralen Oberflächenmaterialparametern. Um diese Zusammenhänge zu bestimmen und zu verifizieren, werden Mars-Analog-Materialien unter Berücksichtigung der spezifischen Beobachtungsgeometrie im Labor untersucht. Diese Messungen werden im Gonio-Photometrie-Labor (GPL) am DLR-Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung mit variablen Inzidenz-, Emissions- und Azimuthwinkel durchgeführt.

Terrestrische Analog-Materialien

Die Labormessungen werden mit verschiedene photometrische und spektrale Modelle verglichen, um den Oppositionseffekt, das Streuverhalten und die Zusammensetzung der Probenmaterialien zu charakterisieren. Darüber hinaus erlaubt der Vergleich der Laborsimultation mit den realen Messungen der Marsoberfläche eine iterative Verbesserung der Auswahl und Vorbereitung (Mischung) von Mars-Analog-Materialien, was umgekehrt wieder die Interpretation der physikalischen und spektralen Eigenschaften der Marsoberfläche ermöglicht.

Geologie

Bei der Auswahl der Landestelle von Mars Pathfinder waren neben ingenieurtechnischen Kriterien (Topographie, Sonnen- bzw. Erdstand, Geländerauhigkeit) vor allem die zu erwartenden geologischen Verhältnisse der ausschlaggebende Faktor. Drei mögliche Alternativen wurden diskutiert:

1. eine Vielzahl verschiedener Gesteinsarten auf engem Raum (Grab Bag site),
2. eine einheitliche Oberfläche unbekannten Typs,
3. eine einheitliche Oberfläche bekannten (oder vermuteten) Typs.

Ausschlaggebend für die Grab Bag site war schließlich die Aussicht, verschiedenartige Beispiele der Marskruste untersuchen zu können. Die Auswahl fiel auf die Region, in der das riesige Trockental Ares Vallis in die nördlichen Tiefländer des Mars mündet. Ares Vallis ist eines der prominentesten Beispiele der gewaltigen Outflow Channels, die erstmals auf den Bildern der Mariner 9 Mission erkannt wurden und eines der deutlichsten Anzeichen für fließendes Wasser oder Eis auf der Oberfläche des Mars darstellen.

Während das existierende Bildmaterial der Mariner- und Viking-Sonden es erlaubt, die Besonderheiten dieser Täler in großem und mittlerem Maßstab zu untersuchen, konnten noch keine Aussagen über die lokalen Besonderheiten des Geländes getroffen werden. Von besonderem Interesse ist hierbei, die Existenz von Paläoseen in den Mündungsgebieten der Ausflußtäler nachzuweisen. Die relativ niedrige Auflösung der Orbiterdaten verhinderte bislang, küstennahe lakustrine Strukturen zu identifizieren. Die Bilddaten der IMP Kamera bieten erstmals in der Geschichte der Marsforschung die Gelegenheit, einen Bereich der Planetenoberfläche mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich zu analysieren, der möglicherweise von fließendem Wasser geformt wurde. Die Ankündigung einiger NASA-Wissenschaftler, in einem Marsmeteoriten Anzeichen für fossiles Leben gefunden zu haben, vergrößert die wissenschaftliche Perspektive dieser Untersuchungen weiter, da Leben die Verfügbarkeit von Wasser voraussetzt.

Der zweite wichtige geologische Aspekt betrifft die Möglichkeit, in der Umgebung der Landestelle eine Vielzahl verschiedener Gesteinstypen zu analysieren. Da die starken Erosionskräfte, die zur Bildung der Täler führten, ihre Wirkung in den Mündungsgebieten verlieren, in denen die Talrinnen sich ausweiten und in den Tiefländern verlaufen, erwartet man hier die Ablagerung von Gesteinsmaterial, das in unterschiedlichen, teilweise weit entfernten Gebieten aus dem anstehenden Gestein herausgewaschen bzw. -gebrochen wurden. Die Analyse der Größe und Form (stereoskopische Untersuchungen) sowie der Helligkeit und Farbe (multispektrale Daten) der Gesteine kann in Zusammenspiel mit Bildmaterial aus dem Orbit (Mars Global Surveyor) zur Ermittlung der Herkunftsgebiete und somit zu einem besseren Verständnis der Zusammensetzung der Marskruste fähren.

Bodenmechanische Untersuchungen der Mars Pathfinder Landestelle werden sich auf die Auswertung von Spuren stützen, die der Rover hinterläßt. Die Bestimmung der Eindringtiefe der Räder und der Hangneigung des Materials, das in die Spuren nachstürzt, ermöglichen Aussagen über Bodenparameter wie Kohäsion, Kompaktionsgrad und inneren Reibungswinkel und verbessern die Interpretierbarkeit von Thermaldaten. Zusätzlich tragen sie zum Verständnis bei, wie der Marsboden auf den Einfluß von Wind und Verwitterung reagiert. Der gegenwärtig wichtigste aktiv erodierende oder ablagernde geologische Prozeß auf der Marsoberfläche ist Wind. Die langfristige Beobachtung der Landestellenumgebung liefert Daten, mit deren Hilfe die Wirkung äolischer Prozesse quantitativ (z.B. Volumenveränderungen von Windablagerungen) untersucht werden kann. Windrichtungen können in Abhängigkeit von der Tages- und Jahreszeit gemessen werden, was zu einer Verbesserung von globalen Zirkulationsmodellen der Atmosphäre führen soll.

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