Mars i fokus igjen

Av Erik Tronstad

Hvis alt er gått etter planen, vil - når dette leses - et ubemannet amerikansk romfartøy igjen være på vei mot Mars. Det er første gang siden Viking-oppskytingene i 1975 at USA sender et romfartøy til den røde planet. Der skal romfartøyet, som bærer navnet Mars Observer, foreta en meget grundig kartlegging av Mars' gravitasjonsfelt, overflate og atmosfære.

Mars er i dag en tørr planet, selv om det en gang i fortiden må ha strømmet store mengder vann på overflaten. Det vitner de mange uttørkede elveleiene der om. Både temperatur og trykk i atmosfæren var høyere enn nå. Hva har skjedd med vannet og hvor er det blitt av?

Regelmessige, lagvise avsetninger av støv og tørris (is av karbondioksid) er fotografert på polkalottene på Mars. De tyder på at Mars må ha gjennomgått perioder med store klimaendringer.

Hva er årsaken til klimaendringene? Har de sammenheng med at vannet på Mars-overflaten er blitt borte? Kan de store klimaendringene Mars har opplevd, lære oss noe om klimavariasjoner på Jorden?

Dette er bare noen av de mange spørsmålene forskerne håper Mars Observer skal hjelpe til å løse.

Mars Observer har med 8 instrumenter. Kort fortalt skal de brukes til å bestemme Mars' topografi og gravitasjonsfelt, kartlegge hele overflatens mineralogiske sammensetning og hvilke grunnstoffer den består av, undersøke om Mars har et magnetfelt og eventuelt kartlegge dette, kartlegge sirkulasjonsmønsteret i Mars-atmosfæren og overvåke klimaendringene i løpet av de fire årstidene på Mars. Sistnevnte oppgave skal utføres ved å studere kildene til, fordelingen av og mengden av støv og andre flyktige stoffer på Mars, samt undersøke til hvilke tider slikt materiale opptrer i atmosfæren og på overflaten.

I 1982 begynte man å arbeide med planene til det som nå kalles Mars Observer, men som opprinnelig ble kalt Mars Geoscience Climatology Orbiter. Prosjektet ble godkjent av den amerikanske Kongressen i april 1985.

Totalt koster prosjektet 800 millioner dollar, hvorav utvikling av instrumenter og byggingen av romfartøyet er verdsatt til 510-515 millioner dollar.

Mars Observer er bygd av General Electrics Astro Space Division i Princeton, New Jersey under en kontrakt med Jet Propulsion Laboratory (JPL). Det er basert på de sivile meteorologiske Tiros-satellittene og de militære meteorologiske satellittene i Defense Meteorological Satellite Program (DMSP).

Opprinnelig var det planen å skyte opp Mars Observer med en romferge i 1990. Denne planen måtte imidlertid endres etter Challenger-ulykken i 1986. Det førte til kostnadsøkninger som gjorde at noen instrumenter måtte fjernes fra romfartøyet og/eller byttes med billigere, og ikke fullt så gode, utgaver. Det viktigste av instrumentene som ble fjernet, var Visual and Infrared Mapping Spectrometer, som skulle vært brukt til meteorologiske observasjoner og studier av Mars-overflatens kjemiske sammensetning. Dessuten ble en dyrere radarhøydemåler erstattet med den nåværende laserhøydemåleren.

Fordi de relative posisjonene mellom Jorden og Mars stadig forandrer seg, kan ikke Mars Observer skytes opp når som helst. Det må skje i løpet av et såkalt oppskytingsvindu, som strekker seg fra 16. september til 9. oktober 1992. For å ha mest mulig tid til å ta seg av eventuelle problemer, planlegges oppskytingen helt i starten av perioden, alt 16. september med en Titan 3-bærerakett. Oppskytingen blir den første fra oppskytingsplattform 40 ved Cape Canaveral, etter at den har vært gjennom en større ombygging. De to Viking-romfartøyene ble for øvrig i 1975 skutt opp nettopp fra plattformene 40 og 41 ved Cape Canaveral.

Romfartøyet vil bli fraktet fra lav jordbane og til en bane mot Mars ved hjelp av rakettrinnet Transfer Orbit Stage (TOS). NASA har bestilt to TOS-trinn for til sammen 160 millioner dollar. Det siste av disse vil bli brukt til Mars Observer. Forskerne i Mars Observer-prosjektet føler seg meget utrygge på TOS fordi det aldri før har vært brukt og vil få sin debut med oppskytingen av Mars Observer.

Romfartøyets antenne, instrumentbommer og solcellepanel vil folde seg ut fra den 1,5 m x 1,5 m x 2,1 m store «romfartøykroppen» i løpet av den 11 måneder lange overfarten til Mars. Direktivantennen er plassert på en 5,5 m lang bom for å komme klar av de 24,5 m² store solcellepanelene. De består av 6 paneler som totalt yter en effekt på 1100 W, og vil ikke bli foldet helt ut for Mars Observer er kommet i den endelig kartleggingsbanen rundt Mars. Med drivstoff har romfartøyet, som er treaksestabilisert, en masse på 2487 kg.

Ferden ut til Mars vil ta omtrent 11 måneder og 19. august 1993 skal Mars Observer gå inn i bane rundt Mars. For hvert døgn oppskytingen eventuelt må utsettes, utsettes ankomsttidspunktet til Mars tilsvarende. Manøveren for å få romfartøyet inn i Mars-bane, blir den mest kritiske etter oppskytingen. Romfartøyet må ligge i rett stilling, rakettmotoren må tenne i nøyaktig rett øyeblikk og brenne akkurat så lenge som planlagt for å få Mars Observer inn i Mars-bane.

Først vil romfartøyet bli plassert i en meget langstrakt bane på 38 570 km x 550 km med en omløpstid på 72 timer. Der blir det i rundt 21 døgn før banehøyden senkes og omløpstiden reduseres til 4,2 timer. Etter 10 døgn der, senkes høyden ytterligere til den endelige banen Mars Observer skal observere fra. Den har en omløpstid på knapt 2 timer, ligger 378 km over Mars-overflaten og vil bli nådd i desember 1993. Banen ligger mye lavere og nærmere Mars enn banene til tidligere amerikanske Mars-romfartøyer. Det er en solsynkron bane der romfartøyet hvert døgn vil foreta 13 omløp rundt Mars. Det vil gi romfartøyet en kontinuerlig dekning av Mars-overflaten til samme lokale tid hvert Mars-døgn.

Når Mars Observer er anbrakt i denne banen, vil observasjonene av Mars starte for alvor. Der skal de foregå fra slutten av 1993 til høsten 1995. Det tilsvarer ett Mars-år (687 jorddøgn, eller 669 Mars-døgn), tiden Mars bruker på ett omløp rundt Solen.

Som nevnt er Mars Observer utstyrt med totalt 8 instrumenter. Vi skal se nærmere på dem og hvilke observasjoner de skal brukes til. Noen av instrumentnavnene er nedenfor oversatt til norsk, andre (som blir mer kompliserte på norsk) ikke.

Instrumentet som nok har størst allmenn interesse, er kamerasystemet. Det vil gi både kontinuerlige vidvinkelbilder for klimatologiske studier og smalvinkelbilder av utvalgte områder for morfologiske undersøkelser. Vidvinkelobjektivet vil gi bilder fra horisont til horisont med en oppløsning på rundt 230 m. De vil vise hvordan forholdene og fenomener på overflaten og i atmosfæren forandrer seg, som støvstormer, oppbygging av frost og skyer.

Bildene med høy oppløsning som tas ved hjelp av smalvinkelobjektivet, vil vise så mange detaljer at de totalt vil dekke mindre enn 1 % av Mars-overflaten. Dette objektivet vil ha en største romlig oppløsningsevne på 1,4 m per bildeelement, det høyeste for noen planetromfartøy inntil Mars Observer.

Faktisk vil dette kameraet ta mer detaljerte bilder av Mars-overflaten enn noen sivil satellitt har tatt av jordoverflaten. Bare militære fotorekognoseringssatellitter har tatt mer detaljrike bilder av Jorden enn de beste Mars Observer vil ta av Mars. Lederen for forskergruppen som er ansvarlig for smalvinkelkameraet, har sagt at det vil gi bilder med litt bedre detaljrikdom enn på de flybildene som de fleste geologer arbeider etter nå de driver med feltarbeid i USA.

Smalvinkeldelen av kameraet kan beskrives som et teleskop av Ritchey-Chrétien-konstruksjon med en brennvidde på 3,5 m og et åpningsforhold på f:10, og som sies å være mye bedre enn et kommersielt 36 cm-teleskop. Et typisk smalvinkelbilde vil være kvadratisk og dekke et område på omtrent 3,5 km x 3,5 km.

Kamerasystemet representerer en betydelig forbedring i forhold til tidligere kamerasystemer. Det har ingen bevegelige deler og eksponeringstidene bestemmes elektronisk. Endimensjonale rader av bildeelementer avleses med bestemte mellomrom og dataene omgjøres til et bilde. Disse lineære CCD-brikkene vil være på henholdsvis 3345 x 1 og 2048 x 1 bildeelementer. Kameraet har en spesialhukommelse på 12 Mb, som er det største for noe planetromfartøy hittil. Det er bygd av California Institute of Technology.

Ved å studere større steiner (kampesteiner) på smalvinkelbildene, håper man en gang for alle å kunne si hvorvidt kanalene på Mars ble dannet av rennende vann, av is eller gjørme i bevegelse, eller ved vinderosjon. Størrelsene på, retningene til og fordelingen av kampesteiner i Mars-kanalene vil nemlig si noe om hva slags medium som har flytt gjennom kanalene.

Det har også vært foreslått at vannansamlinger eller isbreer av kontinental størrelse har formet store områder på Mars-overflaten. Disse forslagene kan etterprøves ved å se etter småskalastrukturer, som strandlinjer og morener, som kan ha ledsaget slike prosesser.

Ved hjelp av bilder fra dette kameraet håper man også å kunne identifisere landskapstyper som er karakteristiske for relativt nylig vulkansk aktivitet. Hvorvidt «nylig» innebærer en alder på noen tusen eller noen hundre tusen år anses som irrelevant, begge deler vil eventuelt bli tatt som tegn på samtidig eller nåtidig vulkanisme. Bildene fra kameraet vil også kunne komme til nytte i valg av framtidige landingssteder for ubemannede romfartøyer som skal returnere prøver fra Mars eller for bemannede Mars-ferder.

Ett av de opprinnelige formålene med kameraet var for øvrig å kunne se Viking-landingsfartøyene. Selv om kameraet vil ha litt dårligere oppløsning enn opprinnelig planlagt, er det mulig man såvidt vil kunne se Vikings landingsromfartøyer på smalvinkelbilder.

Det andre instrumentet er et laser altimeter eller en laserhøydemåler som sender ut pulser omtrent 10 ganger per sekund. Den vil kunne bestemme høyder på Mars med en nøyaktighet på 1,5 m. Nøyaktigheten vil imidlertid være avhengig av med hvilken nøyaktighet planetens gravitasjonsfelt kan bestemmes i løpet av de første ukene i Mars-bane. Høydemåleren er bygd av Goddard Space Flight Center (GSFC).

Fra observasjoner av banen til Mars Observer får man data om romfartøyets avstand fra sentrum av Mars til enhver tid. Tar man romfartøyets avstand fra sentrum og subtraherer avstanden til overflaten fra laserhøydemålingene, fås i hvert punkt avstanden fra sentrum av Mars til overflaten. Slike målinger skal gjøres over et nett av 600 millioner punkter som dekker hele Mars.

I dag er usikkerheten i absolutte høydebestemmelser på Mars minst 1 km over hele overflaten. Nøyaktige opplysninger om topografien på en planet er av fundamental betydning når man skal forstå planetens geofysikk og geologi. Det topografiske kartet man vil få fra målingene til Mars Observer, vil - sammen med tilsvarende forbedret kunnskap om variasjonene i Mars' gravitasjonsfelt - gi en langt bedre forståelse av de topografiske forholdene på Mars enn man i dag har. Dessuten vil det gi ny og bedre innsikt i Mars' indre struktur, spenningsfelter i de ytterste delene av skorpen, hvilke materialmengder som har strømmet ut av vulkaner og hvilken innvirkning topografien har på bevegelsene i atmosfæren.

Det tredje instrumentet er et magnetometer som vil være i stand til å registrere selv et meget svakt magnetfelt. Det er levert av GSFC.

Blant de åtte planetene i Solsystemet som har hatt besøk av ubemannede romfartøyer, er Mars den eneste der det ennå ikke er påvist et magnetfelt. Mars Observer har med instrumenter som både direkte og indirekte skal kunne observere et slikt felt, om det finnes. Tidligere romfartøymålinger har vist at om Mars har et magnetfelt, må det være meget svakt.

Det fjerde instrumentet er et elektronreflektometer som også skal kunne brukes til å påvise selv et meget svakt magnetfelt, samt i tillegg bidra til å kartlegge et eventuelt magnetfelts vekselvirkning med solvinden. Dette instrumentet leveres av den franske romorganisasjonen CNES.

Mens et magnetometer må befinne seg i et magnetfelt for å kunne registrere det, vil elektronreflektoren kunne observere et eventuelt magnetfelt under banen til Mars Observer. Instrumentet vil nemlig måle fordelingen av og hastighetene til elektroner som treffer det. Fra data om elektronenes retning og energi håper man å kunne utlede hvorvidt elektronene er blitt reflektert fra et magnetfelt, og i så fall hvilken styrke og retning feltet har.

Det femte instrumentet er et gammaspektrometer som skal foreta en detaljert kartlegging av Mars-overflatens sammensetning. En tilsvarende kartlegging er ikke gjort for noe annet legeme i Solsystemet, selv om man på de siste ferdene i Apollo-programmet kartla Månens ekvatorområder med gammaspektrometre. Gammaspektrometeret til Mars Observer vil imidlertid gi en bedre energioppløsning enn de som ble brukt på Apollo-romfartøyene i månebane. Instrumentet bygges av Martin Marietta Astronautics Group, men administreres av GSFC.

Gammaspektrometeret vil gi mer detaljerte data om hvilke grunnstoffer som finnes på overflaten enn hva Thermal Emission Spectrometer vil, men med dårligere romlig oppløsning. Spektrometeret vil være i stand til å «se» overflatetrekk med en utstrekning på 200 km, men vil kunne registrere alle de viktigste grunnstoffene, inkludert hydrogen.

Instrumentet gjør sine observasjoner ved at det måler energispekteret av gammastråling fra Mars-overflaten. Hvert grunnstoff sender ut gammastråling på frekvenser som er typiske for det. Ved å måle intensiteten av gammastråling som funksjon av frekvens, får man data om hvilke grunnstoffer som finnes i overflatematerialet. Instrumentet vil kunne registrere hydrogen (som jo er en av de to grunnstoffene vannmolekyler består av) opptil 30 cm under overflaten, men vil ikke kunne si noe om hvorvidt vann under overflaten befinner seg i fast eller flytende tilstand. Muligens vil Thermal Emission Spectrometer være i stand til å si noe om temperaturen på eventuelt slikt vann.

Det høres kanskje merkelig ut at en romfartøy fra flere hundre kilometers høyde skal kunne registrere flyktige stoffer som er frosset under en planets overflate. Metoden baserer seg på resultatene av vekselvirkninger mellom atomkjerner og annen materie.

Når en partikkel fra den kosmiske strålingen treffer en deuteriumkjerne (en kjerne i et tungt hydrogenatom), sender kjernen ut et gammafoton med en energi på 2,2 MeV. Slike gammafotoner kan registreres ved hjelp av en detektor der sensoren inneholder natriumjodid eller germanium. Ved å plassere en slik detektor i et romfartøy, kan man kartlegge forekomstene av hydrogen, og dermed vann i en eller annen form.

I tillegg til å kunne oppdage deuterium, vil gammaspektrometeret også fungere som en meget nøyaktig og følsom detektor overfor gammastråling med andre energier, og som sendes ut av radioaktive grunnstoffer i Mars-skorpen. En annen måte å lete etter iser på, er å studere spekteret av nøytroner som kommer opp fra planeten. En overvekt av nøytroner med lave hastigheter kan tyde på at de er blitt bremset ned av lette grunnstoffer, som hydrogen, i overflatematerialer.

Det sjette instrumentet er Thermal Emission Spectrometer, som skal kartlegge hvilke mineraler som finnes i Mars-overflaten, samt innholdet av froster og sammensetningen av skyer. Instrumentet, som er helt unikt for Mars Observer, baserer seg på en Fourier-transformasjonsteknikk. Det bygges av Santa Barbara Research Center.

Spektrometeret vil måle i hvilken grad Mars absorberer infrarød stråling, eller varmestråling, noe som bestemmes av krystallstrukturen til overflatematerialet. Denne avhenger igjen både av hva overflatematerialet består av og ved hvilken temperatur det størknet. Dette gir en indikasjon på hvor langt under overflaten silikater var da de ble dannet.

Instrumentet vil også kunne si noe om hvorvidt det fantes flytende vann på Mars-overflaten tidlig i planetens historie. Hvis så var, er det mulig vannet reagerte med karbondioksid i Mars-atmosfæren og dannet karbonater, som dette instrumentet vil kunne registrere fra Mars-bane. Hvis instrumentet skulle oppdage saltavsetninger på overflaten, kan de være et tegn på at vann har felt ut salt fra overflatematerialet.

Det syvende instrumentet er Pressure Modulator Infrared Radiometer, som skal måle opasiteten av støvet i atmosfæren, temperatur som en funksjon av bredde, lengde og årstid på Mars, samt gi profiler av skyene av karbondioksid og vanndamp. Radiometeret vil gjøre sine målinger ved randen av Mars-atmosfæren, og bygges av JPL. Det vil være i stand til å observere bunnen av alle unntatt de kraftigste støvstormene på Mars, og kartlegge stormenes vertikale profil med en oppløsning på 5 km. Man håper dette kan bidra til å løse mysteriet om hvordan disse kraftige støvstormene, som fort kan vokse til å innhylle hele planeten, oppstår.

Mars Observer har også med et åttende instrument, som imidlertid ikke skal brukes til direkte observasjoner av Mars. I 1994 skal Samveldet av uavhengige stater (SUS, restene etter det som en gang het Sovjetunionen) skyte opp et ubemannet Mars-romfartøy. Fra et moderfartøy i Mars-bane skal det sendes to små instrumentkapsler og to såkalte penetratorer ned til overflaten. (En penetrator er en liten instrumentkapsel med form som en lang, smal sylinder med en spiss i den ene enden. Den skal treffe overflaten med stor hastighet og trenge noen meter ned i den, for derfra å gjøre målinger.)

Radiosenderne i instrumentkapslene og penetratorene er ikke sterke nok til å sende data direkte til Jorden. De må gå via primært SUS-moderromfartøyet, sekundært via Mars Observer. Formålet med det åttende instrumentet i Mars Observer er å motta data fra instrumentkapslene og penetratorene og sende dem videre til Jorden.

En fransk boks med elektronikk i Mars Observer vil sende et signal til instrumentkapslene og penetratorene på overflaten når Mars Observer er innenfor synsvidde av den. Dermed vil radiosenderene i dem begynne å overføre data til Mars Observer med 128 kbit/s. Varigheten av hver overføring, som vil ligge i intervallet 300-1000 s, vil avhenge av de relative posisjonene til instrumentkapsler/penetratorer og romfartøyet.

Fordi Mars Observer og SUS-moderfartøyet vil passere over instrumentkapslene på overflaten til ulike tider, vil man slik få langt mer data fra dem enn om all overføring måtte skje via SUS-moderfartøyet.

I 1996 skal SUS skyte opp et nytt Mars-romfartøy. Sommeren 1997 skal det blant annet slippe to ballonger ned i Mars-atmosfæren med noen ukers mellomrom. Hver ballong forventes å ha en levetid på rundt to uker.

Selv om Mars Observer da er ferdig med sitt primære oppdrag, er det stor sannsynlighet for at romfartøyet fortsatt fungerer. I så fall skal Mars Observer opptre som reléstasjon for overføring av data fra ballongene til Jorden. Samtidig vil Mars Observer ved hver passering over en ballong bestemme dens posisjon. Slik vil romfartøyet bidra til å kartlegge ballongenes ferd over Mars, noe som igjen gir data om vindretninger og vindhastigheter i områdene ballongene driver over.

Mars Observer har også noe som nesten kan betraktes som et niende instrument, nemlig en ultrastabil oscillator. Den er egentlig en del av radioutstyret om bord, skal brukes til radiovitenskapelige observasjoner, og er levert av JPL. De radiovitenskapelige målingene vil bli brukt både til å undersøke den vertikale temperaturfordelingen i atmosfæren ved å måle hvordan radiostrålingen brytes i atmosfæren, og til å kartlegge Mars' gravitasjonsfelt. Fra måten atmosfæren endrer radiosignalenes amplitude og frekvens, håper man å kunne måle temperatur og trykk i atmosfærens nederste 50 km med en vertikal oppløsning på rundt 200 m.

Foruten Mars Observers hovedformål med å foreta en global kartlegging av mange egenskaper ved og fenomener på Mars, er et annet viktig formål å gi økt forståelse av både historien til, den nåværende fordelingen av og hvilke mekanismer som sprer flyktige materialer på Mars. I løpet av et Mars-år skjer en betydelig transport av flyktige stoffer på planeten. Rundt 25 % av atmosfæren forsvinner og dukker opp, en syklus man gjerne vil lære mer om og forstå.

En tid etter at Mars Observer er ferdig med sitt oppdrag rundt Mars, regner forskerne med å ha detaljert kunnskap om denne dynamiske planeten. Man vil ha bestemt den kjemiske sammensetningen til grunnfjellet og jordsmonnet på overflaten, fulgt hvordan støvstormer oppstår, vokser fram og dør bort, samt kartlagt terrenget rundt vulkanene og i kanalene på Mars. Dette venter man vil gi økt kunnskap og forståelse om kreftene som har formet Mars. Som et resultat av dette vil vi kanskje også forstå vår egen planet bedre.

Tekster til illustrasjoner brukt i artikkelen

Her er Mars Observer nettopp skilt fra rakettrinnet Transfer Orbit Stage (TOS). TOS skal brukes til å sende Mars Observer ut av jordbane og mot Mars. (Orbital Sciences Corporation)

Slik vil Mars Observer se ut når alle antenner, instrumentbommer og solcellepaneler er fullt utfoldet, og romfartøyet er kommet inn i den endelige banen som alle observasjoner skal foretas fra. (NASA)

Denne modellen av Mars Observer viser hvor de forskjellige instrumentene er plassert. (A) er gammaspektrometeret, (B) laserhøydemåleren, (C) antennen for kommunikasjon med instrumentkapsler, penetratorer og ballonger som romfartøyer fra SUS skal bringe til Mars i 1994 og 1996, (D) Pressure Modulator Infrared Radiometer, (E) Thermal Emission Spectrometer, (F) kameraet, (G) elektronreflektometer og (H) magnetometre. Den store hvite skiven nederst er direktivantennen for kommunikasjon med Jorden. (NASA)