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Flüssiges unterkühltes Grenzflächenwasser in der Marsoberfläche 

Andreas Lorek 

Wissenschaftliche Zusammenfassung 

In den letzten Jahren gemachte Bilder der Marsoberfläche zeigen rezente rheologische Vorgänge wie Sedimentablagerungen [Kerr, 2006] und Sickererscheinungen [Kereszturi et al., 2008], die auf flüssiges Adsorbat- oder Grenzflächenwasser hindeuten. Auch aktuellere chemische Experimente [Möhlmann, 2004], die sich auf den hohen Oxidationsgrad der Marsoberfläche bezogen, lieferten Hinweise auf ein mögliches Wirken flüssigen Wassers in der Marsoberfläche. Biologische Experimente an irdischen Permafrostbakterien [Rivkina et al., 2000] weisen darauf hin, dass in Anwesenheit flüssigen Wassers selbst unter extremen Bedingungen (T < 0° C) Stoffwechsel möglich ist.

Demnach ist eine noch ungeklärte aber zentrale Frage der Marsforschung, wie viel flüssiges Grenzflächenwasser sich in den oberen Schichten mittlerer und niederer Breiten befinden kann und wie viel davon bei Temperaturen unter 0 °C in flüssiger Form vorliegt.

Besonderes Interesse gilt der obersten, an die Atmosphäre grenzenden Schicht. Sie folgt direkt dem Temperaturtagesgang und adsorbiert bzw. desorbiert Wasser in Abhängigkeit von der relativen Feuchte der über dem Boden befindlichen Atmosphäre und ist damit einem permanenten Wechsel des Wassergehaltes sowie seines festen oder flüssigen Zustandes ausgesetzt. Dies kann wesentlich für die physikalische Erklärung der beobachteten Vorgänge sein.

Wie in dieser Arbeit beschrieben, erfolgt die Erfassung des Wassergehaltes und des Aggregatzustandes in Böden über die Messung der Dielektrizitätskonstante der Böden im Temperaturbereich 25 °C bis -70 °C. Zwei dielektrische Messsysteme wurden zur Bestimmung des Wassergehaltes entwickelt: Ein Plattenkondensator mit einem Messfrequenzbereich 10 Hz bis 1,1 MHz und ein Time Domain Reflectometry (TDR)-System mit einer Messfrequenz von 600 MHz. Die damit durchgeführten Messungen erfolgten an zwei marsrelevanten Böden: Bentonit1 (stark montmorillonithaltiger Ton) und JSC Mars 12 (vulkanisches Material).

Die Experimente orientierten sich an den Temperaturen und dem erwarteten atmosphärischen Wassergehalt an bzw. kurz über der Marsoberfläche, wie sie in den mittleren und niederen Breiten des Mars vorherrschen. In diesen Bereichen erreichen die Oberflächentemperaturen am Tag Werte um 0 °C und darüber. In den Nacht- und frühen Morgenstunden sinken die Temperaturen auf -70 °C und darunter ab. In dieser Zeit kann eine relative Feuchte von      100 %r.F. erreicht werden, was zu hohen Adsorptionsraten von Wasser im Boden führen kann.

Es wurde der Gleichgewichtswassergehalt (EMC)3 in Abhängigkeit von der Gleichgewichtsfeuchte (ERH)4 der Atmosphäre und der Temperatur erfasst sowie der Flüssigwasser- bzw. Eisgehalt in diesen Böden bestimmt.

Die Ergebnisse wurden mit einem erst kürzlich entwickelten Schichten-Modell für Grenzflächenwasser [Möhlmann_1, 2008] verglichen, das auf der Hamaker-Theorie zur Beschreibung der van der Waals-Kräfte basiert.

 

Dieses Modell kann wiederum Grundlage für weitere bzw. ausführlichere Modelle zur Darstellung des Wassergehaltes und seines Flüssigwasseranteils unter 0 °C sein.

Die erhaltenen Messergebnisse ergaben, dass Bentonit und JSC Mars 1 einem Temperatureffekt unterliegen, durch den die Dielektrizitätskonstante des gebundenen Wassers mit sinkender Temperatur abfällt.

Mit der Birchak-Mischungsregel [Birchak et al., 1974], die sich als geeignetes Instrument zur Beschreibung der einzelnen Dielektrizitätskonstanten der Bodenbestandteile erwies, wurde durch Berücksichtigung dieses Temperatureffektes eine erfolgreiche experimentelle Methode zur Bestimmung des Flüssigwasseranteils und Eisanteils in Böden geschaffen. Die Auswertung ergab einen Flüssigwassergehalt der untersuchten Böden von ca. 2 Monolagen bei -70 °C. Die Ergebnisse zum Flüssigwasseranteil unter 0 °C zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Schichten-Modell für Grenzflächenwasser.

Mit dem Schichten-Modell wurden die Hamaker-Konstanten von Bentonit und JSC Mars 1 bestimmt. Es zeigte sich, dass der gesamte EMC / ERH-Bereich der Böden nicht mit einer einzigen Hamaker-Konstante anhand des Schichten-Modells beschrieben werden kann. Mit der entwickelten experimentellen Methode können ebenfalls die notwendigen Daten zur Weiterentwicklung des Schichtenmodells für flüssiges, unterkühltes Grenzflächenwasser gewonnen werden.

Weiter konnte experimentell gezeigt werden, dass ca. 1 Monolage Wasser in JSC Mars 1 auch bei einer relativen Feuchte <0,05 %r.F., die während der Mittagszeit in mittleren und niederen Breiten am Mars erreicht wird, zu erwarten ist.

Mit der entwickelten Experiment- und Messtechnik und der zugehörigen Auswertungsmethode sind erste Voraussetzungen geschaffen worden um aus den zu erwartenden in-situ Feuchtemessungen von MiniHUM5 (ExoMars) auf den Flüssigwassergehalt der oberen Schichten des Marsbodens schließen zu können.