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Ultraviolett- und Infrarot-Spektrometer (SPICAM)

Modell des SPICAM-Experiments © ESA » Mars Express Mit dem SPICAM-Experiment an Bord des europäischen Mars Express-Orbiters wird die Zusammensetzung und die vertikale Schichtung der Marsatmosphäre untersucht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Verteilung des Wasserdampfs und des aggressiven Sauerstoffmoleküls Ozon gelegt. Auch der Aufbau der Ionosphäre, der äußeren elektrisch geladenen Atmosphärenschicht, wird mit dem Instrument erforscht. Sein Messprinzip ist ähnlich dem des OMEGA und des PFS-Instruments: Atome und Moleküle der Marsatmosphäre werden dadurch erfasst, dass die empfangene Strahlung nach ganz bestimmten charakteristischen Wellenlängen ("Farben") durchsucht wird. Unterschiedliche chemische Substanzen verschlucken (absorbieren) unterschiedliche Farben des Sonnenlichts und sie senden (emittieren) Strahlung mit charakteristischen Wellenlängen aus. SPICAM verfügt über 2 unterschiedliche "Augen". Mit dem einen kann es Ultraviolett-Strahlung im Wellenlängenbereich 118 - 320 Nanometer, mit dem anderen Infrarot-Strahlung mit Wellenlängen von 1 - 1,7 Mikrometer erfassen. Das "UV-Auge" kann dabei 3 unterschiedliche Blickrichtungen einnehmen. Im so genannten Nadir-Modus wird das Instrument direkt auf den Marsmittelpunkt gerichtet, d.h. auf die Marsoberfläche direkt unterhalb des Orbiters. Die so erfasste UV-Strahlung stammt ursprünglich von der Sonne, sie wurde am Marsboden reflektiert und durchquerte anschließend die Marsatmosphäre in vertikaler Richtung. Eine Durchleuchtung der Atmosphäre in horizontaler Richtung wird im "solaren oder stellaren Bedeckungsmodus" ermöglicht. Das Instrument zielt dazu quer durch die Atmosphäre auf die Sonne oder einen Stern, wenn diese oder dieser gerade hinter dem Marshorizont hervorkommt. Mit dem Spektrometer werden dann die von der Atmosphäre verschluckten charakteristischen "Farben" aus der direkt empfangenen Strahlung herausgefiltert. Auch im dritten Beobachtungsmodus, dem "Rand-Modus" (limb pointing) zielt das Instrument wie im stellaren Bedeckungsmodus quer durch die Atmosphäre. Allerdings wird dabei ausdrücklich kein Stern angepeilt. Stattdessen registriert der UV-Detektor jetzt das charakteristische "Eigenleuchten" der einzelnen atmosphärischen Bestandteile. Das "Infrarot-Auge" des SPICAM-Instruments wird nur im Nadir-Modus verwendet. Marsoberfläche (Spirit) © NASA/JPL/Cornell » Mars Express Irgendetwas in der Marsatmosphäre reagiert sehr aggressiv mit allem Material an der Oberfläche des roten Planeten. Oxidation nennen Chemiker den Vorgang, wenn den Atomen eines Materials die äußeren Elektronen entzogen werden. Tatsächlich verdankt der Planet seine rostbraune Farbe den oxidierten Eisenbestandteilen der Gesteine. Falls es je Lebenskeime auf dem Mars gegeben hat, ihre organischen Überreste sind mit großer Wahrscheinlichkeit durch die Oxidation längst zerstört. Mit dem SPICAM-Experiment soll geklärt werden, in welchem Ausmaß das Ozon (O) oder auch die solare UV-Strahlung dafür verantwortlich gemacht werden können. Im Nadir-Modus misst SPICAM mit seinen beiden Detektoren gleichzeitig die Gesamtmenge an Ozon und Wasserdampf, die sich in dem gedachten zylinderförmigen Volumen mit 10 Quadratkilometer Querschnitt unterhalb der Sonde bis zum Marsboden erstreckt. Ozon absorbiert UV-Licht mit 250 Nanometer Wellenlänge, während Wasserdampf Infrarot-Strahlung mit 1,38 Mikrometer Wellenlänge verschluckt. Im Verlauf der gesamten Mission wird so der jahreszeitliche Verlauf der beiden Substanzen im Detail aufgezeichnet. Mit SPICAM soll getestet werden, ob die bisherigen theoretischen Vorstellungen stimmen, dass immer dann, wenn viel Ozon in Atmosphäre ist, der Wasserdampfgehalt besonders gering sein sollte, und umgekehrt. SPICAM Infrarot-Spektrum © ESA » Mars Express Falls die bisherigen Überlegungen stimmen, könnte damit auch indirekt der atmosphärische Gehalt an aggressiven OH-Molekülen berechnet werden. Das OH-Radikal entsteht, wenn UV-Strahlung ein Wasserstoffatom (H) von einem Wassermolekül (HO) abspaltet. Die nördliche Mars-Polkappe in verschiedenen Jahreszeiten. © STScI » Mars Express Um den atmosphärischen Gehalt an Ozon und Kohlendioxid in den einzelnen Höhenschichten herauszubekommen, wird SPICAM im „solaren oder stellaren Bedeckungsmodus“ betrieben. 95% der Marsatmosphäre bestehen aus Kohlendioxid. Dessen Verlauf gibt somit unmittelbar die Gesamtdichte der Atmosphäre und auch dessen Temperatur an. Die Dichte der Atmosphäre und ihre zeitlichen Schwankungen müssen bekannt sein, wenn künftige Missionen mit Hilfe der "Luftbremse" in einen bestimmten Orbit gebracht werden oder punktgenau auf der Marsoberfläche auftreffen sollen. Bei der Erforschung des Kohlendioxid- und Wasserdampfgehalts der Marsatmosphäre ergänzen sich SPICAM und das PFS-Experiment. Während mit PFS die untere Atmosphäre untersucht wird, wird mit SPICAM die Kohlendioxiddichte im Höhenbereich 20 - 300 km bestimmt. Insbesondere bei der Frage nach dem globalen Zyklus des Wasserdampfes im Verlauf der Jahreszeiten liefern SPICAM, PFS und OMEGA gemeinsam wertvolle Daten. Erwartetes Transmissionspektrums des SPICAM-Experiments © ESA » Mars Express Gemeinsam mit dem ASPERA-Experiment wird mit SPICAM auch die Ionosphäre untersucht. Elektrisch geladene Teilchen (Ionen) entstehen immer dann, wenn energiereiche Sonnenstrahlung oder Partikel des Sonnenwindes auf die Gasatome oder -moleküle der Hochatmosphäre treffen und aus deren Atomhülle Elektronen entreißt. Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidionen strahlen charakteristische UV-Strahlung im Wellenlängenbereich 200 - 290 Nanometer ab. Um dieses "Eigenleuchten" zu erfassen, wird SPICAM tagsüber, wenn die Ionosphäre besonders stark ausgeprägt ist, im "Rand-Modus" eingesetzt. Mit dieser Methode kann dann nach und nach ein komplettes Bild der oberen Atmosphäre und der Ionosphäre zusammengesetzt werden. Hieraus erhofft man sich insbesondere genauere Kenntnisse darüber, wie der vermutete ursprüngliche Marsozean allmählich verdampfte.