Flüssiges unterkühltes Grenzflächenwasser in der Marsoberfläche

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit den noch ungeklärten aber zentralen Fragen 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. Die Erfassung des Wassergehaltes und des Aggregatzustandes in Böden erfolgte 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: Bentonit (stark montmorillonithaltiger Ton) und JSC Mars 1 (vulkanisches Material). Anhand der Birchak-Mischungsregel, die sich als geeignetes Instrument zur Beschreibung der einzelnen Dielektrizitätskonstanten der Bodenbestandteile erwies, wurde 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 wurden mit einem erst kürzlich entwickelten Schichten-Modell für Grenzflächenwasser verglichen, das auf der Hamaker-Theorie zur Beschreibung der van der Waals-Kräfte basiert. Hier zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung beim Flüssigwasseranteil unter 0 °C. Weiter wurden mit dem Schichten-Modell die Hamaker-Konstanten von Bentonit und JSC Mars 1 bestimmt sowie das Sorptionsverhalten der Böden untersucht. Experimentell konnte gezeigt werden, dass ca. 1 Monolage Wasser in JSC Mars 1 auch bei einer relativen Feuchte kleiner 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 MiniHUM (ExoMars) auf den Flüssigwassergehalt der oberen Schichten des Marsbodens schließen zu können.