Plasma-Detektor-Experiment (ASPERA)

Energetic Neutral Atoms Analyser © ESA » Mars Express Mit den vier unterschiedlichen Sensoren des ASPERA-Instruments werden Zusammensetzung und Energie der Gasteilchen der äußeren Schichten (Exosphäre) der sehr dünnen Marsatmosphäre untersucht. Insbesondere soll erforscht werden, wie der energiereiche Sonnenwind auf die Gashülle des Planeten einwirkt. ASPERA ist die Abkürzung für "Automatic Space Plasma Experiment with a Rotating Analyzer". Computersimuliertes ENA-Bild © MPAE » Mars Express Vor 4 Milliarden Jahren besaß der Mars - wie die Erde - eine dichte Atmosphäre. Der heutige Gasdruck an der Marsoberfläche (7 Hektopascal) beträgt gerade noch 0,6% des irdischen Luftdrucks auf Meereshöhe. Da der Mars kein Magnetfeld mehr besitzt, kann der energiereiche Sonnenwind ungehindert auf dessen Atmosphäre einwirken und könnte so für den Verlust seiner Gashülle gesorgt haben. Im irdischen Magnetfeld dagegen werden die elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes gefangen und um die Erde herumgeleitet. Entstehung von ENA © MPAE/astrolink.de » Mars Express Mit dem NPI (Neutral Particle Imager) wird der Gesamtfluss energiereicher, elektrisch neutraler Atome - sogenannte ENA - gemessen. ENA entstehen in zwei Schritten: Neutrale Gasatome stoßen mit Teilchen des Sonnenwindes zusammen, werden durch den Verlust eines Elektrons ionisiert (elektrisch geladen) und nun mit dem Sonnenwindplasma mitgerissen und beschleunigt. Bei anschließenden Zusammenstößen mit anderen neutralen Gasatomen können sie diesen ein Elektron entreißen und werden dadurch wieder elektrisch neutral. Jetzt unbeeinflusst von elektromagnetischen Feldern bewegen sie sich gradlinig wie Lichtstrahlen weiter. Neutral Particle Imager (NPI) © MPAE/astrolink.de » Mars Express Die Richtung der ENA kann mit dem NPI-Instrument mit einer Genauigkeit von 4,6° x 11,5° bestimmt werden. Ähnlich wie bei einer Kamera erhält man so ein globales Bild von der Region, in der die Wechselwirkung des Sonnenwindes mit der Marsatmosphäre stattfindet. Mit NPI werden alle neutralen Teilchen im Energiebereich 0,1 - 60 keV, allerdings ohne Unterscheidung, erfasst. Neutral Particle Detector (NPD) © MPAE/IRF/astrolink.de » Mars Express Mit dem NPD-Instrument (Neutral Particle Detector) wird die Masse und Geschwindigkeit (Energie) von zwei ENA-Arten - Wasserstoff und Sauerstoff - gemessen, wobei die entsprechende Richtung der einfallenden Teilchen nur sehr grob mit einer Genauigkeit von 5° x 30° bestimmt werden kann. Indem es die Anzahl von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen liefert, die mit dem Sonnenwind wechselwirken, ergänzt das Gerät das bildgebende NPI-Instrument. Durch die Auswertung der Daten erhofft man sich genauere Kenntnisse darüber, auf welche Weise der vermutete ursprüngliche Marsozean allmählich verdampfte. Aufsteigende Wassermoleküle werden in der Hochatmosphäre durch UV-Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, dass dann durch den Sonnenwind entrissen wird. Auf diesem Wege könnte vermutlich eine etwa 30 Meter mächtige Wasserschicht verdampft sein. Während NPI und NPD die energiereichen Neutralteilchen aus größerer Entfernung messen, wird mit den Instrumenten IMA (Mass resolving Ion Analyser) sowohl die hauptsächliche Zusammensetzung der Ionen als auch mit EIS (Electron and Ion Spectrometer) die Energie von Elektronen und Ionen in der marsnäheren Region gemessen, in der die Wechselwirkung des Sonnenwindes mit der Atmosphäre stattfindet. Die Winkelauflösung von IMA und EIS beträgt 5° x 22,5°. Das IMA-Instrument misst Menge und Masse von Ionen (hauptsächlich H, H2, He, O), von ionisierten Molekülen im Bereich 20 - 80 amu/q (Atomare Masseneinheiten pro Ladungszahl) und von ionisierten Staubteilchen bis zu 106 amu/q im Energiebereich von 0,01 - 40 keV/q. Mit dem EIS-Instrument wird die Energieverteilung der Elektronen und Ionen im Energiebereich 0,001 - 20 keV gemessen. In der oberen Atmosphäre werden durch die Einwirkung von energiereichem Sonnenlicht Elektronen aus den Atomen geschlagen. Die Geschwindigkeit eines solchen Elektrons gibt Auskunft über die Art des Ausgangsatoms, aus dem es stammt. Da diese Photoelektronen aus niedrigen Höhen nach oben wandern können, liefert ihre Messung auch Informationen über physikalische Prozesse weit unterhalb des aktuellen Orbits der Messsonde. Die Messungen der Elektronen und Ionen geben Aufschluss über den physikalischen Zustand der Atmosphäre an dem Ort, an dem sich die Sonde zu einem bestimmten Zeitpunkt gerade befindet. Sie ergänzen damit die Messungen der Neutralteilchen, die Informationen über die Wechselwirkungsregion der gesamten Atmosphäre liefern. Die Befunde des Plamaexperiments ASPERA werden durch das Spektrometer-Experiment SPICAM ergänzt, mit dem die vertikale Schichtung der Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidionen gemessen wird.