Geschichte der Marsbeobachtung

Gegenstand und frühe Beobachtungen

Die Geschichte der Marsbeobachtung umfasst Aufzeichnungen und Untersuchungen des Planeten Mars. Sie zeigt, wie sich das Wissen von bloßen Positionsbeobachtungen mit dem Auge über Fernrohre bis zu Raumsonden und Messungen in vielen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums entwickelte.

Nachweisbare Beobachtungen reichen bis zur Astronomie des Alten Ägypten im 2. Jahrtausend v. Chr. zurück. Chinesische Aufzeichnungen der Marsbewegung entstanden vor der Gründung der Zhou Dynasty 1045 v. Chr. Babylonische Astronomen entwickelten arithmetische Methoden, um künftige Marspositionen vorherzusagen. Griechische Philosophen und Astronomen verwendeten dafür ein geozentrisches Weltbild.

Schon griechische und indische Texte enthalten Messungen der Winkelausdehnung, also des scheinbaren Durchmessers, des Mars. Eine Mondbedeckung kann dafür genutzt werden: Weil ein Planet eine kleine Scheibe und kein punktförmiger Stern ist, dauert seine vollständige Bedeckung mehrere Sekunden. Aristoteles beschrieb die Bedeckung des Mars durch die Schattenseite des zunehmenden Halbmonds im Sternbild Löwe am 5. April 357 v. Chr.; nach dem ersten scheinbaren Kontakt verschwand Mars erst nach über 15 Sekunden vollständig.

Vom Weltbild zur Fernrohrbeobachtung

Im 16. Jahrhundert stellte Nikolaus Kopernikus ein heliozentrisches Weltbild vor: Die Planeten umrunden die Sonne auf Kreisbahnen. Johannes Kepler entwickelte das Modell weiter und erkannte anhand der langjährigen, sehr genauen Beobachtungsdaten Tycho Brahes, dass Mars eine deutlich von der Kreisbahn abweichende elliptische Umlaufbahn besitzt. Diese passte wesentlich besser zu den Daten. Brahe hatte die Positionen noch ohne Fernrohr bestimmt.

Bei größter Annäherung erreicht Mars nur einen Winkeldurchmesser von 25 Bogensekunden. Das bloße Auge kann ihn deshalb nicht als Scheibe auflösen; vor dem Teleskop war außer seiner Bewegung zwischen den Fixsternen nichts über den Planeten bekannt. Galileo Galilei begann nach seinen Aufzeichnungen im September 1610, Mars mit seinem Galilei-Teleskop zu beobachten. Das Instrument zeigte keine Oberflächendetails. Galilei untersuchte Planetenphasen und stellte im Dezember 1610 fest, dass der Winkeldurchmesser des Mars kleiner geworden war. Johannes Hevelius beobachtete 1645 schließlich eine Marsphase.

Karten, Oberflächenmerkmale und Messungen

Bessere und größere Teleskopoptiken ermöglichten im frühen 19. Jahrhundert genauere Marsbeobachtungen. Besonders wichtig war das achromatische Objektiv von Joseph von Fraunhofer, das Koma und Farbfehler deutlich verringerte. Bis 1812 entwickelte Fraunhofer eine achromatische Objektivlinse von 190 Millimetern Durchmesser. Der Durchmesser der Primärlinse bestimmt bei einem Refraktor wesentlich Lichtstärke und Auflösungsvermögen.

Johann Heinrich Mädler und Wilhelm Beer untersuchten Mars während der Opposition 1830 mit einem 95-Millimeter-Fraunhofer-Refraktor. Sie wählten einen Punkt acht Bogensekunden südlich des Äquators als Bezugspunkt; er wurde später Sinus Meridiani und der Nullpunkt des Marsmeridians. Sie erkannten, dass die meisten Oberflächenmerkmale dauerhaft sind, und bestimmten die Rotationsperiode genauer. Mädler fasste zehn Beobachtungsjahre 1840 in der ersten Marskarte zusammen. Beer und Mädler nutzten Buchstaben statt Namen, etwa „a“ für die Meridianbucht.

Angelo Secchi sah 1858 eine große blaue dreieckige, jahreszeitlich bedingte und wolkenähnliche Formation, den „Blauen Skorpion“, die Joseph Norman Lockyer 1862 und weitere Beobachter ebenfalls sahen. Frederik Kaiser verglich 1862 eigene Marszeichnungen mit jenen von Christiaan Huygens und Robert Hooke und präzisierte die Rotationsperiode auf eine Zehntelsekunde. Secchi schuf 1863 frühe Farbabbildungen, benannte Merkmale nach berühmten Entdeckern und bezeichnete 1869 zwei dunkle Stellen als canali, italienisch für Kanäle oder Rillen.

Richard Anthony Proctor erstellte 1867 anhand von Zeichnungen William Dawes’ von 1864 eine detailliertere Karte und benannte Merkmale nach Marsbeobachtern. Vergleichbare Karten und Nomenklaturen entstanden im selben Jahrzehnt durch Camille Flammarion und Nathaniel Everett Green. Der Marsatlas von Louis Niesten von 1892 zeigte schattierte Albedo-Merkmale – Unterschiede im Reflexionsvermögen – in einer Folge von Sinusprojektionen.

Karl Friedrich Zöllner bestimmte mit einem von 1862 bis 1864 entwickelten Photometer für Mars eine Albedo von 0,27. Gustav Müller und Paul Kempf fanden zwischen 1877 und 1893 mit diesem Instrument einen kleinen Phasenkoeffizienten, also nur eine geringe Änderung des Reflexionsvermögens mit dem Winkel. Dies deutete auf eine glatte Marsoberfläche ohne große Unregelmäßigkeiten hin. Jules Janssen und William Huggins verglichen 1867 das Spektrum des Mars mit dem des Mondes und glaubten wegen Absorptionslinien Wasserdampf in der Marsatmosphäre nachgewiesen zu haben. Hermann Carl Vogel bestätigte dies 1872, Edward W. Maunder 1875; das Ergebnis wurde später jedoch infrage gestellt.

Bei der günstigen perihelischen Opposition 1877 maß David Gill von Ascension die Tagesparallaxe des Mars zu 8,78 ± 0,01 Bogensekunden. Damit konnte er aus den relativen Größen der Mars- und Erdbahn die Entfernung Erde–Sonne genauer bestimmen. Die Marsatmosphäre ließ den Rand der Scheibe unscharf erscheinen und begrenzte die Positionsgenauigkeit. Im August 1877 entdeckte Asaph Hall am United States Naval Observatory mit einem 660-Millimeter-Teleskop die Monde Phobos und Deimos; Henry George Madan schlug ihre Namen vor.

Fernerkundung und heutige Untersuchungen

Das International Planetary Patrol Program wurde 1969 als weltweites Konsortium zur kontinuierlichen Beobachtung planetarer Veränderungen gegründet. Sein Schwerpunkt waren Marsstaubstürme. Die Beobachtungen machten globale jahreszeitliche Muster sichtbar: Die meisten Staubstürme treten auf, wenn Mars der Sonne am nächsten ist.

Seit den 1960er Jahren untersuchen robotische Raumsonden Mars aus der Umlaufbahn und an der Oberfläche. Gleichzeitig erfolgt Fernerkundung von der Erde durch bodengebundene und im Orbit befindliche Teleskope über große Teile des elektromagnetischen Spektrums. Infrarotbeobachtungen dienen der Bestimmung der Oberflächenzusammensetzung; ultraviolette und submillimeter Beobachtungen untersuchen die Zusammensetzung der Atmosphäre und messen Windgeschwindigkeiten.

Das Hubble-Weltraumteleskop lieferte die höchstauflösenden Marsbilder, die von der Erde aus aufgenommen wurden. Es kann brauchbare Bilder erzeugen, wenn Mars mindestens 50° von der Sonne entfernt steht, und eine ganze Hemisphäre abbilden. Dadurch lassen sich vollständige Wettersysteme beobachten. Mit Bildsensoren ausgerüstete Teleskope auf der Erde ermöglichen während Oppositionen eine regelmäßige Überwachung des Marswetters.

Die Röntgenstrahlung des Mars wurde 2001 erstmals mit dem Chandra-Röntgenobservatorium beobachtet. 2003 zeigte sich, dass sie zwei Komponenten hat: Sonnenröntgenstrahlen werden an der oberen Marsatmosphäre gestreut, und Ionenwechselwirkungen erzeugen durch Ladungsaustausch eine zweite Komponente. XMM-Newton beobachtete die Emission der zweiten Quelle bis zum achtfachen Marsradius.

1983 deutete die Analyse der Meteoritengruppen Shergottit, Achondrit und Chassignit (SNC) darauf hin, dass sie möglicherweise vom Mars stammen. Der 1984 in der Antarktis entdeckte Meteorit Allan Hills 84001 stammt vermutlich ebenfalls vom Mars, unterscheidet sich aber in seiner Zusammensetzung deutlich von SNC-Meteoriten. Die 1996 bekannt gegebene Deutung, er enthalte mikroskopische Bakterienfossilien vom Mars, bleibt umstritten. Chemische Analysen von Marsmeteoriten legen nahe, dass die oberflächennahe Temperatur des Mars während eines Großteils der vergangenen vier Milliarden Jahre höchstwahrscheinlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser lag.