Magellan – Wie kartierte die Raumsonde die Venus durch ihre Wolken?

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Magellan Wie kartierte die Raumsonde die Venus durch ihre Wolken

Die Venus ist der Erde näher als jeder andere Planet und besitzt fast die gleiche Größe. Trotzdem blieb ihre Oberfläche lange weitgehend verborgen. Eine dichte Atmosphäre und eine geschlossene Wolkendecke verhindern, dass gewöhnliche Kameras aus dem Weltraum den Boden sehen können. Erst Radar machte es möglich, die Landschaft darunter systematisch zu erfassen. Den entscheidenden Schritt machte Anfang der 1990er-Jahre die NASA-Raumsonde Magellan. Sie kartierte nahezu die gesamte Oberfläche der Venus und verwandelte einen weitgehend unbekannten Planeten in eine Welt aus Vulkanen, ausgedehnten Lavaflächen, Hochländern, Gräben und ungewöhnlichen geologischen Strukturen.

Magellan musste dabei nicht durch die Wolken hindurchsehen wie eine optische Kamera. Die Raumsonde benutzte Radiowellen, die die Wolkendecke weitgehend durchdringen können. Aus den zurückkehrenden Radarsignalen entstand Stück für Stück eine globale Karte. Noch Jahrzehnte später gehören diese Messungen zu den wichtigsten Grundlagen der Venusforschung.

Warum kann man die Oberfläche der Venus nicht sehen?

Die Venus ist von einer extrem dichten Atmosphäre umgeben, die überwiegend aus Kohlendioxid besteht. Hoch über der Oberfläche liegen mehrere Schichten aus Wolken, deren Tröpfchen hauptsächlich Schwefelsäure enthalten. Für sichtbares Licht bilden diese Wolken einen nahezu undurchdringlichen Schleier. Von außen erscheint die Venus deshalb vergleichsweise strukturlos. Berge, Krater und Ebenen auf dem Boden sind mit normalen Kameras aus dem Orbit nicht direkt zu erkennen.

Schon vor Magellan hatten Wissenschaftler deshalb Radar eingesetzt. Radiowellen bestimmter Wellenlängen können die Atmosphäre und die Wolkenschichten wesentlich besser durchdringen als sichtbares Licht. Sowjetische Missionen wie Venera 15 und Venera 16 sowie der amerikanische Pioneer Venus Orbiter hatten zuvor bereits Teile der Oberfläche untersucht. Auch Radarbeobachtungen von der Erde lieferten erste Hinweise auf große Landschaftsstrukturen.

Magellan sollte daraus erstmals ein nahezu globales und wesentlich detaillierteres Bild machen.

Wie funktionierte das Radar von Magellan?

Magellan trug als zentrales wissenschaftliches Instrument ein Radarsystem mit einer Wellenlänge von rund 12,6 Zentimetern. Während die Sonde die Venus umkreiste, sendete das Radar Mikrowellen in Richtung Oberfläche. Diese durchquerten die Atmosphäre, trafen auf den Boden und wurden teilweise zur Raumsonde zurückgeworfen.

Entscheidend war dabei nicht nur, dass ein Signal zurückkam. Die Stärke und das Verhalten des reflektierten Radarsignals verrieten etwas über die Beschaffenheit der Oberfläche. Raue Flächen können Radarstrahlung anders zurückwerfen als glatte Flächen. Auch die Neigung eines Geländes gegenüber dem Radar beeinflusst die Helligkeit des später erzeugten Bildes. Deshalb sind Magellans Aufnahmen keine Fotografien im gewöhnlichen Sinn, sondern grafische Darstellungen gemessener Radarreflexionen.

Das System arbeitete unter anderem als Synthetic Aperture Radar, kurz SAR. Bei dieser Technik werden viele einzelne Radarmessungen während der Bewegung der Raumsonde miteinander kombiniert. Rechnerisch entsteht dadurch der Effekt einer wesentlich größeren Antenne. Auf diese Weise konnte Magellan deutlich feinere Strukturen erkennen, als es allein aufgrund der tatsächlichen Größe seiner Antenne möglich gewesen wäre.

Wie genau konnte Magellan die Venus kartieren?

Magellan erreichte die Venus im August 1990 und begann wenig später mit der systematischen Radarkartierung. Die ursprünglichen Missionsziele sahen vor, mindestens 70 Prozent der Oberfläche mit einer Auflösung von besser als etwa 300 Metern zu erfassen. Die tatsächlichen Ergebnisse gingen deutlich darüber hinaus.

Während mehrerer Kartierungszyklen nahm Magellan schließlich mehr als 98 Prozent der Venusoberfläche auf. Viele Radarbilder erreichten Auflösungen in der Größenordnung von etwa 100 bis 150 Metern. Damit konnten Wissenschaftler erstmals geologische Strukturen auf fast dem gesamten Planeten miteinander vergleichen.

Eine einzelne Aufnahme genügte dafür nicht. Magellan flog immer wieder auf einer stark elliptischen Umlaufbahn um die Venus. Während sich der Planet unter der Bahn der Sonde weiterdrehte, konnte das Radar bei aufeinanderfolgenden Umläufen neue Streifen der Oberfläche erfassen. Nach und nach entstand daraus ein immer vollständigeres Mosaik.

Zusätzlich zu den Radarbildern bestimmte Magellan mit Radaraltimetrie die Höhe der Landschaft. Dabei wurde gemessen, wie lange ein ausgesandter Radarimpuls benötigte, um von der Oberfläche zur Sonde zurückzukehren. Aus diesen Laufzeiten ließ sich die Entfernung zum Boden und damit dessen relative Höhe bestimmen. Zusammen mit den SAR-Aufnahmen entstanden so nicht nur Bilder, sondern auch topografische Karten der Venus.

Was entdeckte Magellan auf der Venus?

Das Ergebnis veränderte das Bild des Planeten grundlegend. Die Venus erwies sich nicht als eintönige, gleichförmige Landschaft, sondern als geologisch außerordentlich vielfältige Welt.

Besonders auffällig waren die Spuren des Vulkanismus. Große Teile der Oberfläche bestehen aus vulkanisch geprägten Ebenen und Lavaablagerungen. Magellan zeigte zahlreiche Vulkane, gewaltige Lavaströme und ausgedehnte vulkanische Strukturen. NASA-Auswertungen zufolge sind ungefähr 85 Prozent der Venusoberfläche von vulkanischen Ablagerungen beziehungsweise Lavaflüssen geprägt.

Zu den ungewöhnlichsten Entdeckungen gehörten sogenannte Pancake Domes. Diese flachen, breiten vulkanischen Kuppeln besitzen Formen, für die es auf der Erde nur eingeschränkt vergleichbare Beispiele gibt. Daneben entdeckte Magellan lange Lavafurchen, Bruchzonen und komplexe Strukturen, die auf starke tektonische Veränderungen der Kruste hindeuten.

Auch sogenannte Coronae wurden deutlich sichtbar: große, häufig ringförmige Strukturen, die vermutlich mit Bewegungen heißen Materials im Inneren des Planeten und der Verformung der Kruste zusammenhängen. Manche erreichen Durchmesser von mehreren Hundert Kilometern.

Gleichzeitig zeigte sich, dass die Venus im Vergleich zu vielen anderen Himmelskörpern relativ wenige Einschlagkrater besitzt. Die vorhandenen Krater sind über den Planeten vergleichsweise gleichmäßig verteilt. Diese Beobachtung spielte eine wichtige Rolle bei der Diskussion darüber, wie und wann die Oberfläche der Venus geologisch erneuert wurde.

Sind die berühmten Magellan-Bilder echte Fotos der Venus?

Die bekannten orangefarbenen oder goldbraunen globalen Ansichten der Venus können leicht den Eindruck erwecken, Magellan habe den Planeten fotografiert. Tatsächlich handelt es sich überwiegend um aufbereitete Radardaten.

Die Helligkeitsunterschiede zeigen in erster Linie Unterschiede bei der Reflexion der Radarwellen. Anschließend wurden die Daten zu großen Mosaiken zusammengesetzt und für Veröffentlichungen häufig künstlich eingefärbt. Bei manchen globalen Darstellungen orientieren sich die verwendeten Farbtöne an den Farbinformationen der sowjetischen Venera-Landesonden.

Das bedeutet nicht, dass die Landschaftsformen erfunden oder künstlerisch ergänzt worden wären. Berge, Ebenen, Krater, Lavafelder und tektonische Strukturen beruhen auf Messdaten. Die Farben dienen jedoch der Darstellung und entsprechen nicht zwangsläufig dem Anblick, den ein Mensch auf der Oberfläche wahrnehmen würde.

Warum war die Kartierung der Venus so schwierig?

Neben der Wolkendecke stellte auch die Umlaufbahn besondere Anforderungen. Magellan befand sich zunächst auf einer stark elliptischen Bahn. Während eines Umlaufs kam die Sonde der Venus relativ nahe und entfernte sich anschließend wieder weit vom Planeten. Die hochauflösenden Radarmessungen fanden vor allem während der Abschnitte statt, in denen die geometrischen Bedingungen günstig waren.

Hinzu kommt, dass Radaraufnahmen anders interpretiert werden müssen als gewöhnliche Bilder. Eine helle Struktur muss beispielsweise nicht aus einem hellen Material bestehen. Sie kann lediglich besonders rau sein oder so zur Sonde geneigt sein, dass sie viel Radarenergie zurückwirft. Dunkle Gebiete können entsprechend besonders glatt sein oder das Signal in eine andere Richtung reflektieren.

Um aus den Rohdaten geologische Karten zu entwickeln, mussten deshalb Radarhelligkeit, Geländeform, Höhenmessungen und räumliche Zusammenhänge gemeinsam ausgewertet werden. Der U.S. Geological Survey nutzte die Magellan-Daten später für umfangreiche geologische und topografische Kartierungsprogramme.

Wie entstand aus den Messstreifen eine globale Venuskarte?

Jeder Umlauf lieferte nur einen begrenzten Streifen der Oberfläche. Die vollständige Kartierung entstand durch Tausende solcher Beobachtungen, die anschließend geometrisch korrigiert und miteinander verbunden wurden.

Die Venus selbst half dabei gewissermaßen mit. Da sie sich langsam um ihre Achse dreht, lag bei späteren Umläufen jeweils ein anderer Teil der Oberfläche unter der Flugbahn von Magellan. Während der ersten großen Kartierungsphase von September 1990 bis Mai 1991 erfasste die Sonde bereits mehr als 80 Prozent des Planeten. Weitere Kartierungszyklen schlossen zahlreiche Lücken und ermöglichten teilweise Beobachtungen derselben Regionen aus unterschiedlichen Blickrichtungen.

Am Ende verfügten die Forscher über eine Radarabdeckung von mehr als 98 Prozent der Oberfläche. Kleine verbliebene Lücken in manchen globalen Karten wurden mit Daten früherer Venusmissionen und mit Radarbeobachtungen von der Erde ergänzt.

Kartierte Magellan nur die Oberfläche?

Die Radarkartierung war zwar das bekannteste Ergebnis der Mission, Magellan untersuchte die Venus jedoch darüber hinaus. Die Sonde sammelte auch Daten über das Gravitationsfeld des Planeten. Dafür wurde äußerst genau beobachtet, wie sich ihre Geschwindigkeit und Flugbahn unter dem Einfluss der Venusgravitation veränderten.

Unterschiede im Schwerefeld können Hinweise darauf liefern, wie Masse im Inneren eines Planeten verteilt ist. Zusammen mit den Oberflächen- und Höhendaten halfen diese Messungen dabei, mögliche Zusammenhänge zwischen Landschaftsformen, Krustenstruktur und tiefer liegenden geologischen Prozessen zu untersuchen.

In einer späteren Missionsphase wurde außerdem das Verfahren des Aerobraking eingesetzt. Magellan tauchte dabei wiederholt in die äußeren Schichten der Venusatmosphäre ein. Der Luftwiderstand veränderte die Umlaufbahn und machte sie kreisförmiger, wodurch bessere Bedingungen für bestimmte Gravitationsmessungen entstanden.

Warum sind die Daten von Magellan heute noch wichtig?

Magellans Mission endete am 12. Oktober 1994, als die Raumsonde kontrolliert in die Venusatmosphäre eintrat und schließlich zerstört wurde. Ihre Daten blieben jedoch erhalten und werden bis heute wissenschaftlich ausgewertet.

Gerade darin zeigt sich der außergewöhnliche Wert der Mission. Moderne Auswertungsverfahren erlauben es Forschern, in mehr als drei Jahrzehnte alten Messungen Veränderungen zu erkennen, die bei der ursprünglichen Analyse noch nicht auffielen. So wurden Magellan-Daten in den vergangenen Jahren erneut herangezogen, um Hinweise auf geologisch jungen und möglicherweise bis heute andauernden Vulkanismus der Venus zu untersuchen.

Auch künftige Venusmissionen bauen auf diesem Datensatz auf. Neue Radarsysteme sollen wesentlich detailliertere Karten liefern und Regionen erneut beobachten, die Magellan bereits erfasst hat. Durch diesen Vergleich könnte sich feststellen lassen, wo sich die Oberfläche innerhalb weniger Jahrzehnte verändert hat.

Warum Magellan unser Bild von der Venus veränderte

Vor Magellan war die Venus ein Planet, dessen Oberfläche trotz seiner Nähe zur Erde nur in groben Zügen bekannt war. Nach der Mission lag erstmals nahezu der gesamte Planet als detaillierte Radarlandschaft vor. Die Wolken waren nicht verschwunden – aber sie hatten ihren Charakter als unüberwindbare Grenze verloren.

Magellan zeigte eine Welt, die von Vulkanismus und tektonischer Verformung geprägt wurde und deren geologische Geschichte sich deutlich von der Erde unterscheidet. Die Sonde fotografierte diese Landschaft nicht. Sie rekonstruierte sie aus Radiowellen, Umlauf für Umlauf und Streifen für Streifen.

Mehr als drei Jahrzehnte nach der Kartierung ist diese gewaltige Radarkarte noch immer die Grundlage vieler Untersuchungen der Venus. Erst die kommenden Missionen werden sie mit einer neuen Generation von Messinstrumenten deutlich übertreffen. Bis dahin bleibt Magellan die Raumsonde, die den Blick durch die Wolken der Venus entscheidend geöffnet hat.

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Quellen
▪︎ NASA – Magellan Mission
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Magellan und die Radarkartierung der Venus
▪︎ NASA History – 30 Years Ago: Magellan off to Map Venus
▪︎ U.S. Geological Survey – Venus Cartography und Magellan Global Products
▪︎ R. S. Saunders et al. – The Magellan Venus Radar Mapping Mission
▪︎ G. H. Pettengill et al., Science – Magellan: Radar Performance and Data Products