Mars der rote Planet. Studium Fundamentale SS 2014 Dipl.-Phys. Mathias Scholz

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1 Mars der rote Planet Studium Fundamentale SS 2014 Dipl.-Phys. Mathias Scholz

2 Planetologie Die Wissenschaft über den physischen Aufbau, die Entstehung und Entwicklung planetarer Körper

3 Planetenforschung mit Raumsonden Erste Erfolge 1959 erster Vorbeiflug am Erdmond (Luna 1, UdSSR) 1961 erster Vorbeiflug an der Venus (Venera 1, UdSSR) 1964 erster Vorbeiflug am Mars (Mariner 4, USA) 1970 erste Venuslandung (Venera 7, UdSSR) 1972 erster Vorbeiflug an Jupiter (Pioneer 10, USA) 1973 erster Saturn-Vorbeiflug (Pioneer 11, USA) 1975 erste Marslandung (Viking 1 / 2, USA) 1977 erster Vorbeiflug an Uranus und Neptun (Voyager 2, USA) 1978 erster Vorbeiflug an einem Kometen (ISEE-3/ICE, USA) 1984 erste Atmosphärenballons Venus (Vega 1 / 2, UdSSR) 1996 erste Landung auf einem Planetoiden (NEAR, USA) 1996 erster Mars-Rover (Mars Pathfinder, USA) Venus: 19 gescheiterte, 17 erfolgreiche Missionen Mars: 23 gescheiterte, 19 erfolgreiche Missionen + 23 weitere erfolgreiche Deep Space Probes

4 Vergleichende Planetologie Die Naherkundung von Planeten und Monden mittels Raumflugtechniken erlaubte zum ersten Mal detaillierte Vergleiche der Oberflächen und Atmosphären der Planeten und Monde untereinander, aber insbesondere mit derjenigen der Erde 2440 km 6052 km 6378 km 3397 km Radius Masse in Erdmassen

5 Methoden In der Planetologie werden im Prinzip alle Fernerkundungsmethoden, die für die Erde entwickelt wurden (z.b. Multispektralfotografie, Seitensichtradar, Spektrometer etc.), auch eingesetzt. Die entsprechenden Meßgeräte müssen von Satelliten vor Ort gebracht werden. Die Interpretation der Ergebnisse (z.b. Bilder von Oberflächenformationen) erschließt sich durch Vergleiche mit dazu ähnlichen oder analogen Ergebnissen der Erde, wie sie von Geologen, Geochemikern u.a. Wissenschaftlern erarbeitet wurden.

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9 Amateuraufnahme des Mars entspricht Anblick im Fernrohr unter idealen Bedingungen

10 Steckbrief Parameter Wert Große Halbachse Mill. km Perihelabstand AU Aphelabstand AU Mittlere Bahngeschwindigkeit km/s Numerische Exzentrizität 0.09 Bahnneigung 1.85 Umlaufszeit d Radius 3386 km Masse kg Mittlere Dichte 3933 kg/m³ Rotationsdauer Tage Oberflächentemperatur K Ausgetrockneter Planet Rote Färbung durch Eisen(III)oxid War einmal vulkanisch sehr aktiv (zwei große Vulkanprovinzen) Besaß einmal eine Hydrosphäre Fast reine CO2-Atmosphäre Der durch Raumsonden am besten untersuchte Planet neben der Erde...

11 Marsmond Phobos (27x22x18 km) ESA Mars Express

12 Die größten Vulkane im Sonnensystem gibt es auf dem Mars

13 Der Berg der Superlative Nix Olympica Olympus Mons Höhe: Ausdehnung: Gipfelcaldera: 26.4 km (vom Fuß gemessen) 600 km 90 km

14 Vulkanismus auf der Erde Vulkanismus auf dem Mars Erde Zwei Arten von silikatischen Vulkanismus: saurer Vulkanismus der Subduktionszonen (Stratovulkane) basischer Vulkanismus im Bereich des mittelozeanischen Riftsystems, hot spot- Vulkanismus (Schildvulkane, Supervulkane) Wesentliche Ursachen: Plattentektonik Mantelplumes (hot spot s) ca aktive Vulkane, davon ~40 hot spots Mars Nur basischer Vulkanismus. Auf dem Mars gibt es keine sauren Gesteine Fehlende Plattentektonik Nur hot spot Vulkanismus, darunter mindestens 1 Supervulkan (Arabia Terra) Es ist möglich, daß es im Tharsis-Gebiet noch vor 20 Millionen Jahren aktiven Vulkanismus gegeben hat (Olympus Mons) 2 große Vulkanprovinzen

15 51 identifizierte Platten, darunter 15 Großplatten

16 Kontinentaldrift Ocean floor spreading Wilson-Zykus Alfred Wegener ( )

17 Plattentektonik der Erde Ohne Plattentektonik wäre die Erde ein toter Planet Stichwort: Planetarer Thermostat

18 Tharsis-Vulkane Alba Patera (1600 km / 3 km) Olympus Mons (600 km / 22 km) Ascraeus Mons (480 km / 18 km) Pavonis Mons (300 km / 12 km) Arsia Mons (350 km / 14 km) Mauna Kea (1000 km / 14 km) Tharsis-Aufwölbung 400 Mill. km² - im Mittel 10 km oberhalb des mittleren Radius Lokaler Mantelplume Aufwölbung begann vor 3.6 bis 3.2 Ga ~3x10^8 km^3 innerhalb der ersten 1.5 Ga gefördert, danach kontinuierliche Abnahme der Magmaförderung (Abkühlung, Krustenverdickung)

19 Fallbeispiel: Olympus Mons

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21 Eigenschaften von Schildvulkanen Entstehen über hot spots durch Ausfließen extrem dünnflüssiger Laven Ausflußgeschwindigkeit kann dabei 60 km/h übersteigen deshalb sehr flacher Böschungswinkel (<10 ) Der Vulkan baut sich aus Lavaschichten auf, die bei zeitlich aufeinanderfolgenden Aktivitätsperioden ausbilden Nach Entleerung der Magmakammer (z.b. bei einer seitlichen Spalteneruption) kann der zentrale Teil absinken oder Einbrechen und eine Caldera ausbilden Mauna Loa, Vogelsberg) - Calderen - Lavakanäle - tektonische Brüche Simulation Mantelkonvektion Mars

22 Erscheinungsformen eines hot spot - Vulkanismus Supervulkane Yellowstone Toba (Sumatra) Taupo (Neuseeland) Dekkan-Trapp Columbia River Plateau Sibirian Trapps Emperor Seamount Chain Aleuten Kanarische Inseln

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24 Inselbogenvulkanismus

25 Hawaii-Kette hot spot - Vulkaninseln Mauna Loa (4170 m, m) Kilauea (1247 m)

26 Yellowstone hot spot

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28 Vulkanismus auf dem Mars entwickelte sich über stationäre Mantelplumes Plumes sind vom Kern her aufsteigende dünne Magmasäulen, die in Krustennähe unter Druckentlastung geraten, sich plumartig horizontal ausdehnen, durch ihre Auftriebskraft die Kruste anheben und dabei krustennahe Lavareservoirs ausbilden. viele Beispiele auf der Erde (Hawaii, Yellowstone, Toba, Kanaren, Eifel ) wenige (aber eindrucksvolle) Beispiele auf dem Mars (Tharsis, Elysium, Syrtis Major)

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31 Westliche Abbruchkante Olympus Mons

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34 Gipfelcalderen des Olympus Mons 6 Calderen von 72 x 91 km Größe und einer maximalen Tiefe von 3.2 km

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37 Aus Impaktkraterstatistiken konnten 5 Epochen verstärkten Vulkanismus abgeleitet werden 3.5 Milliarden Jahren Beginn der Tharsis-Aufwölbung / Hellas + Argyre Impakt 1.5 Milliarden Jahren Höhepunkt des Tharsis + Elysium-Vulkanismus Bildung des Vallis Marineris, Deckenbasalte Millionen Jahren Spaltenvulkanismus in der Elysium-Region 200 Millionen Jahren Lokaler Vulkanismus in der Tharsis Region (Olympus Mons) 100 Millionen Jahre Letzte Ausflüsse Olympus Mons Während der Phasen mit vulkanischer Aktivität flossen nicht nur große Mengen an Lava über die Marsoberfläche: Die durch den Vulkanismus entstehende Wärme im Inneren des Planeten sorgte auch für gewaltige Eruptionen von Wasser, die große Gebiete auf dem Mars plötzlich überfluten konnten. Der langandauernde Marsvulkanismus ist nicht einfach zu erklären, da Mars recht klein ist, keine bewegliche Platten besitzt und einen großen Teil seines Wärmeinhalts bereits verloren haben dürfte.

38 Tharsis Tholus - Durchmesser ~160 km, Höhe ~ 8 km

39 Ceraunius Tholus (Durchmesser 130 km, Höhe 5 km) und Uranius Tholus (60 km / 4.5 km)

40 Die mit der Aufwölbung von Tharsis verbundenen Spannungen in der Marskruste führte zu dessen Aufreißen riesige Grabenbrüche entstanden

41 Valles Marineris 4000 km lang, 700 km breit, 7 km tief

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43 Blick in Richtung Tharsis-Aufwölbung ( rechts Tharsis Tholus) Noctis Labyrintus

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45 Grabenbrüche (Rift valleys) langgestreckte tektonische Dehnungszonen aktiver Vulkanismus tiefe geologische Verwerfungen

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54 Coprates Chasma

55 Grand Canyon 450x30 km

56 Valles Marineris (Mariner-Täler entdeckt von Mariner 9 (1971)) Ungefähre Ausdehnung Mittlere Tiefe 4000 km lang, 700 km breit 7000 m Die Canyons der Mariner-Täler waren vor ~ 3 Ga mit Wasser gefüllt (Gips und Kieserit-Ablagerungen) Ursache für die Entstehung des Grabenbruchs waren sog. Dikes, die von dem lokalen hot spot unter dem Vulkan Pavonis Mons ausgegangen sind

57 Gab oder gibt es Wasser auf dem Mars?

58 Fließstrukturen im Bereich des Ares Vallis

59 Nanedi Valles

60 Ismeniae Fossae Auswirkung von Blockgletscher

61 Blockgletscher im Himalaya

62 Osuga Valles

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64 Niger und Dao Vallis - riesige Outflow Channels

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66 Beginn des Niger-Vallay

67 Osuga Valles

68 Channeled Scablands und Jökulhlaups

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71 Great Spokane Flood Dammbruch am Lake Missoula vor Jahren (Inhalt >Erisee, 7700 km² Fläche, bis 500 m tief) Kompletter Ausfluß innerhalb 2 Wochen 40 bis 60 km³ pro Stunde, Ausflußgeschwindigkeit bis 130 km/h Erschuf so die Scablands im Bereich der Columbia River Flutbasalt-Provinz

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73 Wasserfälle (Katarakte) bewegen sich rückwärts Können lange, gleichmäßig breite Täler mit fast senkrechten Wänden hinterlassen Iguazu-Katarakt in Argentinien

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77 In der Frühgeschichte des Mars (vor 3.5 Milliarden Jahren) muß der Planet flüssiges Wasser und später teilweise Vergletscherungen besessen haben. Das impliziert: Die Atmosphäre mußte dichter und anders zusammengesetzt sein als heute Die Temperatur- und Druckverhältnisse müssen über einige 100 Millionen Jahre flüssiges Wasser auf der Planetenoberfläche erlaubt haben Im Bereich des Borealis Beckens könnte es sogar einen flachen Ozean gegeben haben Bei späterer Abkühlung gab es mehrere Vereisungsperioden, wo Gletscher bei der Oberflächengestaltung eine Rolle gespielt haben Ab Mitte des Hesperian (vor ca. 3 Milliarden Jahren) gibt es nur noch lokal Hinweise auf katastrophenartige Überflutungen im Randbereich der Vulkanprovinzen

78 Gab es einen Marsozean? - Mars Ozean - Hypothese Es gab Versuche, Küstenlinien zu identifizieren. Die Ergebnisse sind widersprüchlich so daß heute der Existenz eines Marsozeans im Noachian eher unwahrscheinlich erscheint.

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80 Geologische Zeitalter des Mars Abgeleitet aus Impaktkraterstatistiken Noachian (endete vor 3.8 bis 3.5 Milliarden Jahren) Sehr alte Krusten mit hoher Impaktkraterdichte Beckenstrukturen Hellas, Argyre und Isidis Anzeichen von Wasserbedeckung Hesperian (endete vor 3.4 bis 1.8 Milliarden Jahre) Starke vulkanische Aktivitäten, Beginn der Tharsis-Aufwölbung Flutbasalte, Öffnung des Valles Marineris Ausflußkanäle + Flußdeltas Amazonian Geringe Impaktkraterdichte (alte Krater durch Sedimente abgedeckt) Im letzten Drittel der Epoche war Olympus Mons aktiv

81 Gibt es Leben auf dem Mars? Ja, diese Frage ist eindeutig mit ja zu beantworten es gibt sogar höheres Leben, wie Fotobeweise beweisen Mars-Lander Spirit Folgende Aufnahme gelang bereits am 25. Januar 2004 mit der Kamera des Mars-Rovers Spirit

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83 Vertiefendes Material sowie die PP-Präsentation finden Sie auf meinen NATURWUNDER-Blog Wer weiterhin Interesse an Astronomie hat, in der Zittauer Volkssternwarte findet jeden Mittwoch, 19 Uhr, eine Vortragsveranstaltung statt - Platz im Vortragsraum ist noch genügend vorhanden ;-) Öffentliche Beobachtung am Spiegelteleskop der Zittauer Volkssternwarte jeden Donnerstag bei geeignetem Wetter (Sommerpause beachten).