MARSIS : Subsurface Radar Sounding / Höhenmesser für die Mars Express Mission

MARSIS auf der Mars Express Mission

Marsis ist eines der Experimente auf der ESA- Sonde Mars Express. Es ist ein Radarsystem, das die Oberfläche des Planeten Mars durchdringen kann, um durch Diskontinuitäten Hinweise auf Eis oder Wasser unter der Oberfläche zu suchen. Wissenschaftler des MPS waren beteiligt am Bau des Experiments und sind beteiligt an der Interpretation der gesammlten Daten. MARSIS befindet sich seit August 2005 in Betrieb. Das Experiment wird geleitet von den Universitäten Rom und Iowa.

Wissenschaftliche Ziele von MARSIS

Marsis ist ein Radar-Instrument auf dem Satelliten Mars Express mit der Hauptaufgabe der Suche nach Wasser, Wasser- Eis oder Permafrostschichten, die in der Tiefe unter der sichtbaren Oberfläche des Mars existieren.
Vieles spricht dafür, dass das Wasser einmal reichlich auf Mars vorhanden war. Es gibt von Strömen umsäumte Inseln, die durch fließendes Wasser gebildet scheinen. Die Strömungsmuster erinnern an Wadis in irdischen Wüsten und müssen sich durch plötzliche Ausbrüche von unterirdischen Wasser gebildet haben.
Sekundäre Aufgaben sind die Messung der Streueigenschaften der Oberfläche des Mars bei langen Wellenlängen. Für das Eindringen in die Oberfläche benötigt man Wellen, die noch kurz genug sind, um durch die Mars- Ionosphäre zu dringen. Die Elektronendichte und Temperatur an der Oberseite der Ionosphäre kann ebenfalls untersucht  werden. Die Schätzungen der gesamten Mars-Wassermenge liegen im Bereich von 50 bis 500 m in einem unterirdischen planetenweiten Ozean.

Es gibt keinen offensichtlichen Mechanismus für das Entweichen von Wasser aus der Kruste des Planeten.
Das thermische Entweichen von Wasser über die Atmosphäre ist sehr langsam (in der Größenordnung von
3 m in 5 Milliarden Jahren). Unter der Annahme, dass der Mars  mit etwa der gleichen relativen Menge von Wasser gebildet wurde wie die Erde, ist davon auszugehen, dass ein wesentlicher Anteil von diesem Wasser auf dem Mars gebleiben ist. Es wird allgemein angenommen, dass es als Eis in den Polkappen gebunden wurde
und im Boden als Eis, Permafrost oder sogar als Wasser.

Es gibt indirekte Beweise für das weit verbreitete Vorhandensein von Eis, Permafrost oder flüssigem
Wasser durch die Oberflächenstrukturen. Marsis versucht, direkt zu bestätigen
dass Wasser unter der  Oberfläche vorhanden ist.

Eine kurze Zusammenfassung der Fragen, die MARSIS adressiert und der Messungen, die notwendig sind, um sie zu beantworten:

• Gibt es unter der Oberfläche Eis / Permafrost auf dem Mars? Präsenz von diskreten Echos würde ein  Beweis für eisige Schichten sein.
• Was ist die Tiefe der Schichten und die Art der Schicht? Bestimmung der Echostärke gegenüber der Zeitverzögerung. Suche nach mehrere Echokomponenten.
•  Variiert die Tiefe mit dem Breitengrad ? Messung der Echo-Verzögerung als Funktion der Breite.
• Korrellieren die Schichten und die Oberflächenechos mit sichtbaren und Radar-Oberflächenmerkmalen? Vergleich der Eigenschaften von Radarechos mit Änderungen im Gelände.
• Was ist die Dichte und die Temperatur entlang der Umlaufbahn des Satelliten? Messung der Impedanz über der Frequenz der Radarantenne, wenn diese als Sonde verwendet wird.
• Was ist die Elektronendichte an der Oberseite der Ionosphäre? Gibt es Beweise für ein globales Magnetfeld? Vergleich der Oberflächen-Echos vieler Orbits.

MARSIS Beschreibung

MARSIS ist ein Multi-Frequenz, Impuls-beschränktes Radar-Echolot, das mit einer zweiten Empfangsantenne Reflexionen von unter der Oberfläche des Planeten auflösen kann. Das Radar kann effektiv in jeder Höhe von weniger als 800 km betrieben werden. Das Instrument besteht aus zwei Antennenanordnungen und einer Elektronik-Box. Die Antennenanordnung besteht aus einer Primär-Dipol-Antenne, die parallel zur Oberfläche und senkrecht zur Bewegungsrichtung  augerichtet ist, um Echos von der Marsoberfläche und von unter der Oberfläche zu empfangen und einer Sekundärmonopolantenne, die entlang der Nadirrichtung ausgerichtet ist, um Signale von der Off-Nadir-Oberfläche zu empfangen. Maximale Eindringtiefen werden bei den niedrigsten Frequenzen erreicht. Auf der Tagseite des Mars erlaubt die Ionosphäre keine Verwendung von Frequenzen < ~ 3,5 MHz. Beoabchtungen zur Sondierung des Untergrundes werden daher auf der Nachtseite des Mars durchgeführt. MARSIS hat vier Frequenzbänder mit 1.9 , 2.8, 3.8 und 4.8 MHz. Auf der Nachtseite können 1,9 MHz und 2,8 verwendet werden , um die dielektrischen Eigenschaften des Untergrundes zu bestimmen. Auf der  Tagseite  können die 3,8 MHz und 4,8 -MHz-Frequenzen verwendet werden, um in die Ionosphäre einzudringen und  deren dielektrische Eigenschaften zu bestimmen. Bis zu vier verschachtelte Datenkanäle können gleichzeitig verarbeitet und aufgezeichnet werden. Ein " Chirp " Signal mit einer Bandbreite von 1 MHz  wird erzeugt und wird für jede Betriebsfrequenz für eine Zeitdauer von etwa 500 Mikrosekunden übertragen.
Das Instrument schaltet dann in den Empfangsmodus und zeichnet die Echos von Oberfläche und Untergrund für die erwartete Dauer von etwa 7 Millisekunden auf . Der Gesamtsendeempfangszyklus dauert daher in der Größenordnung von einigen Millisekunden, je nach Höhenlage. Die empfangenen Signale werden in einem Digital- Analog-Wandler nach  Entfernung und Azimut komprimiert. Die Azimut-Integration akkumuliert etwa 1 Sekunde der Impulse, was einem "Footprint" auf der Oberfläche von 5 km entspricht. Der Cross-Track-Footprint liegt in der Größenordnung von 10 km.

Um die größtmögliche Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen in den Boden  zu gewährleisten, muss eine Wellenlänge gewählt werden, die so lang ist wie möglich, nur begrenzt durch die Forderung, dass die Wellen ohne nennenswerte Verzerrungen die Ionosphäre durchdringen, um den Boden zu erreichen.

Ein weitere Aufgaben, die dem Radarsystem zugeordnet ist, ist die Oberseite der Ionosphäre zu untersuchen.
Die Untersuchung der Ionosphäre ist von besonderem Interesse für das Verständnis des Zusammenwirkens
des Sonnenwindes mit einem schwach magnetisierten Planeten, insbesondere im Hinblick auf die jüngste Entdeckung von lokalisierten magnetischen Strukturen.  Daneben wird die Radarantenne als Impedanzsonde verwendet, um Dichte und Temperatur der lokalen Elektronen zu messen.

Für die Ionosphären-Beobachtung arbeitet das Radarsystem im Frequenzbereich von 0,2 bis 7,5 MHz mit einer Dipol- Antenne.

Das Radar wird in einem gestuften Frequenzmodus betrieben, in dem der reaktive Teil der Impedanz der Antenne sofort mit einem aktiven Netzwerk zu versichern, wie gut abgestimmt
Antennenanpassung wie möglich. Der Widerstandsteil der Antenne wird
in nur vier Bands abgestimmt. Der Schritt durch eines der drei
Bänder in einigen 100 Stufen , je nach Höhenlage , werden 50 bis 100 nehmen
msec .  Für den Radarsender , Empfänger und abstimmbare Antenne
Systeme konnten Flugerstayeinheiten des Mars96 Langwellen-Radar (LWR ) mit einigen Modifikationen verwendet  weerden.

In einem speziellen Modus wird auch die Zeitverzögerung gegenüber der Frequenz in den unteren
Frequenzbändern verwendet, um aus den Echos, die von der Oberseite der Ionosphäre kommen,
Elektronendichte-Profile zu bestimmen. Die so erhaltenen Daten sind komplementär zu den
Messung des gesamten Elektroneninhalts  und den in-situ- Messungen der Elektronendichte und
Temperatur unter Verwendung der Radarantenne als einer Impedanz -Sonde.