Sonntag, 13. November 2011

Planet Mars (21) - Die Südpolarkappe

Südpolarkappe



Reliefdarstellung der Südpolkappe. Quelle NASA

Die Südpolkappe unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von der Nordkappe. Das liegt u.a. daran, daß sie ungefähr 6000 m höher liegt und auch ihr Zentrum nicht mit dem gegenwärtigen geographischen Südpol zusammenfällt. Mit einem Durchmesser von ~450 km ist ihr zentrales Deposit (PLDS) deutlich kleiner als dasjenige der Nordhemisphäre. Zwar sind auch hier spiralförmig angedeutete Talstrukturen sichtbar, aber nicht in der Ausprägung und dem Muster, wie sie für die Nordpolarkappe typisch sind. Die Mächtigkeit dieser Eisablagerungen unterscheidet sich mit einer zentralen Dicke von ungefähr 3000 m  kaum von dem des Mars-Nordpols. Der Wassergehalt ist jedoch bedeutend geringer. Er wird auf ca. 200000 km³ (~16% dessen von PLDN) geschätzt. Das ist auch mit ein Grund, weshalb man während des Südsommers (im Unterschied zum Nordsommer) keinen signifikanten Wasserdampfanstieg in der Marsatmosphäre beobachten kann (die Südpolkappe besitzt eine permanente CO2 –Schicht, welche eine Sublimation von Wassereis erschwert). 

Das südliche Pendant zu Chasma Boreale ist das Chasma Australe, welche zwei „Eiszungen“ keilförmig trennt. Zwar ist auch die Südpolkappe von weiten Ebenen umgeben, die aber weitaus stärker strukturiert sind. So fehlt ein riesiges Wüstengebiet wie Olympia Planitia im Südpolarbereich völlig. Auch die Einschlagkrater besitzen nicht oder nur z.T. die für Rampartkrater typischen Strukturmerkmale, was auf Unterschiede im Untergrund hinweist. Die Analyse ihrer Verteilung hat ergeben, daß die geschichteten Ablagerungen ungefähr 10 Millionen Jahre alt sein müssen. Analoge Untersuchungen haben für die Nordpolarkappe ein Alter in der Größenordnung von lediglich einigen 100000 Jahren ergeben (Herkenhoff et.al. 2000).

Besonderheiten des PLDS
Auf den Aufnahmen der Mars-Orbiter konnten einige signifikante Unterschiede in der Strukturierung der Schichten, welche die PLD um den Nord- und den Südpol bilden, ausgemacht werden:

  • Es ließen sich ausgedehnte junge Ablagerungen peripher zu den deutlich älteren Kern des PLDS  nachweisen
  • Angeschnittene Schichten bilden oftmals deutliche und ausgeprägte Stufen
  • In Tälern sind oftmals in Form von Tafelbergen (Mensa) stehengebliebene Sedimente zu beobachten
  • Die sogenannte „Dorsa Argentea Formation“, eine tiefliegende und deshalb sehr alte Ablagerung, besitzt kein vergleichbares Analog auf der Nordpolarkappe

Sie zeigen, daß beide Polkappen eine unterschiedliche geologische Entwicklung durchgemacht haben und daß sich auch die landschaftsformenden Erosionsprozesse auf beiden Polarkappen Unterschiede zeigen.


Auf dieser Aufnahme des Mars Reconnaissance Orbiters, die zu Beginn des Frühlings auf der Südhalbkugel aufgenommen wurde, erkennt man, wie einzelne Schichten des PLD’s herausgearbeitet und in einzelne „Schollen“ (Mensae) zerfallen sind.   Quelle NASA, MRO

Dorsa Argentea Formation
Die Dorsa Argentea – Formation ist durch eine Vielzahl langgestreckter schmaler Bergrücken charakterisiert, die mittlerweile von vielen Autoren als glazialfluviale Formen, die man auf der Erde "Oser" nennt, interpretiert werden (eine alternative Deutung, die sich wahrscheinlich aber nicht aufrechterhalten läßt, hält sie für vulkanischen Ursprungs).  Außerdem finden sich hier Gruben (pits, cavi), im Untergrund, die sich durch Instabilitäten im Eis gebildet haben. Diese Gruben haben meist steile Flanken, eine unregelmäßige Form und sind bis zu 50 km groß. Ihre Tiefe kann bis zu 1000 m betragen. Außerdem konnten mehrere große Ausflußtäler in das Argyre-Bassin entdeckt werden.


Diese Bergrücken, die das südliche Argyre-Becken durchziehen und der Dorsa Argentea Formation zugeordnet werden, sind mit hoher Wahrscheinlichkeit Oser. Sie entstehen, wenn Schmelzwasserflüsse in Gletscherspalten abfließen und darin mitgeführte Gerölle ablagern. Nach dem vollständigen Abschmelzen der Eismassen bleiben dann langgezogene bahndammähnliche Strukturen zurück. Quelle NASA, Viking


Ausschnitt aus einer HiRISE-Aufnahme (MRO), welches relativ alte Schichten des PLDS zeigt. Aufgrund vielfältiger Erosionserscheinungen, die im Einzelnen nur schwer zu interpretieren sind, ist eine genaue stratigraphische Einordung derartiger Sedimentstufen nicht einfach. Quelle NASA, MRO

Ungewöhnliche Landschaftsformen
Gerade um den Südpol herum findet man auf den hochauflösenden Satellitenaufnahmen Landschaften, die zu interpretieren eine echte Herausforderung für jeden Geomorphologen sind. Auf einigen erkennt man Strukturen wieder, die auch in den Permafrostzonen der Erde aufzufinden sind, andere dagegen scheinen einmalig für den Mars zu sein.


Die Entstehung dieses aus Sedimenten herausgearbeiteten Musters aus Rechtecken (Ausschnitt ~ 14x20 km) ist sehr rätselhaft. Auch darüber, wie deren Inhalt (schwarze Punkte) zu interpretieren ist (vielleicht dark dune spots), gibt es unter den Marsgeologen noch keine belastbaren Erkenntnisse.   Quelle NASA, MGS

Swiss Cheese Terrain 
Die südliche Polkappe ist im Sommer über eine Fläche von ~300 x 200 km² mit einer permanenten Trockeneisschicht überdeckt, wobei dieses Trockeneisgebiet um ca. 150 km vom geographischen Pol versetzt liegt. Die Landschaft erscheint von oben ziemlich skurril, da es dafür auf der Erde keine Analoga gibt: irreguläre bis kreisförmige Vertiefungen, welche den Untergrund wie eine Scheibe Schweizer (Löcher-) Käse auf den Satellitenaufnahmen erscheinen lassen. Dabei haben die Vertiefungen selbst steile Wände, die ab einer gewissen Tiefe in einen horizontalen und weitgehend flachen Boden übergehen. Dieser Boden selbst kann wieder analog gebaute Vertiefungen aufweisen, so daß einige dieser pit’s eine komplexe, stufenförmige Struktur (die wie ein Abdruck eines umgekehrten „Turm von Hanoi“ aussieht) erhalten. In manchen Gebieten beginnen sich die Vertiefungen zu überlappen und bilden schließlich ebene Landschaften auf dem Höhenniveau des Bodens der pit’s. 

Alle diese genannten Strukturen finden sich neben langgezogenen schmalen Depressionen, die ein Muster ähnlich der Papillarlinien der Finger bilden (fingerprint terrain) in einer im Mittel rund 10 m mächtigen Schicht aus gefrorenem Kohlendioxid. Darunter befindet sich die von THEMIS (Thermal Emission Imaging System, Mars Odyssey) nachgewiesene Wassereispolkappe, die etwas wärmer ist. Die Landschaften, welche die permanenten Trockeneisschichten der Südpolarkappe formt, sind starken Änderungen unterworfen. So vergrößern sich die „Löcher“ des Swiss Cheese Terrains um ungefähr 1 bis 4 Meter im Jahr, wobei die „Expansionsrate“ abhängig von der jeweils betroffenen Schicht ist. Aus den THEMIS-Daten der Sonde Mars Odyssey konnten z.B. deutlich eine im Mittel ~8 m mächtige ältere untere Schicht und eine ca. 2 m starke Deckschicht aus gefrorenem CO2 nachgewiesen werden (Thomas et.al. 2005). Aus morphologischen Merkmalen folgt, daß die untere und damit ältere Schicht an den freiliegenden Stellen seit ca. 100 Jahren der Erosion ausgesetzt ist. Die obere, weniger mächtige Deckschicht, erodiert dagegen erst seit etwa 50 Jahren. Inwieweit sich daraus Erkenntnisse über die Klimaentwicklung des Planeten gewinnen lassen, bedarf noch eingehender Diskussion.  Auf jeden Fall ergeben sich die meisten, auf den ersten Blick verstörenden Oberflächenmerkmale, durch Sublimation und Kollaps von CO2- Eis.


Fingerprint terrain“ nennt man diese Landschaft im Bereich der permanenten Südpolkappe des Mars. Sie besteht aus einer dünnen Schicht aus Trockeneis, in der sich durch Sublimations- und Erosionsprozesse, die im Einzelnen noch nicht gut verstanden sind, lange weiche Rinnen bilden. Diese Strukturen zeigen bereits in der Größenordnung von Jahren signifikante Veränderungen.  Quelle NASA, MGS


Ausschnitt aus einer Mars Odyssey-Aufnahme aus dem Randgebiet der permanenten CO2-Bedeckung der Südpolkappe. Aufgrund seiner durch spezifische Sublimationsprozesse entstandene Morphologie spricht man von einem Swiss Cheese Terrain. Die obere, „zerrissene“ Struktur stellt Trockeneis dar, der Untergrund besteht aus leicht wärmeren Wassereis.  Quelle NASA


Der Aufnahmestreifen besitzt eine Breite von ~900 m und zeigt die Swiss Cheese –Strukturen im Kohlendioxideis im Detail. Es handelt sich dabei um relativ kurzlebige, aus mehreren Schichten bestehende Trockeneisschichten. Messungen auf MGS-Aufnahmen haben ergeben, daß durch Sublimation pro Marsjahr ungefähr 3 m Trockeneis abgetragen werden, die sich aber im Winter wieder niederschlagen. Quelle NASA, MGS


Spinnenartige Grabenstrukturen werden an manchen Stellen der Südpolarkappe sichtbar, sobald im Sommer die Trockeneisschicht verschwunden ist. Bildausschnitt ~500 m.  Quelle NASA


Nächstes Mal: Kohlendioxid-Geysire

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