title: Spatio-temporal level variations of the Martian seasonal polar caps from co-registration of MOLA profiles
Creators: name: Xiao, Haifeng
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::520 Astronomie::520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
subject: Mars
subject: polar caps
subject: thickness variation
subject: laser altimetry
subject: co-registration

description: Due to its axial tilt, Mars undergoes a seasonal cycle, like the Earth. Up to 30% of the atmosphere's CO2 is in exchange with the polar surface through a seasonal deposition/sublimation process. Accurate measurements of level and volume variations of the resulting seasonal polar caps can serve as crucial constraints on models of the Martian volatile cycles. The goal of this research is to characterize the spatio-temporal level variations at the Martian poles and to improve our understanding of the CO2 volatile cycle. The achieved major objectives of this research are as follows: A. I have carried out new geolocation of the Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) footprints using recently-available new spacecraft orbit and Mars rotation models, as well as an improved geolocation procedure. B. I have proposed an independent, novel data analysis for the detection of surface height change based on the co-registration of the laser altimetry profiles. In addition, a post-correction procedure based on pseudo cross-overs of the laser altimetry profiles has been proposed and implemented. C. I have obtained time-resolved changes in levels and volume of seasonal snow/ice cover over one Martian Year using MOLA profiles. Gridded maps, e.g., on the maximum level, interannual peak level change, and early winter accumulation, of spatial resolution of 10° in longitude and 0.5° in latitude and temporal resolution of 2° in solar longitude have been generated and analyzed. Animations that illustrate these processes have been made for visualization purposes. D. I have brought attention to behavior of the Seasonal North Polar Cap (SNPC) over the dune fields at Olympia Undae where the maximum level can be up to 4 m. In addition, northern winter level decreases of up to 3 m and northern spring level increases of up to 2 m have been observed. E. I have derived a bulk density map of the Seasonal South Polar Cap (SSPC) by combining our obtained thickness measurements with the mass estimates from a radiative balance model. In addition, temporal evolution of the bulk density of both the SSPC and SNPC have been obtained. These results have been interpreted in terms of physical state and evolution of the seasonal snow/ice. F. I have demonstrated the feasibility of using Digital Terrain Models (DTMs) from stereophotogrammetry, e.g., High Resolution Stereo Camera (HRSC) images, as reference surface to monitor level variations of the seasonal polar caps. The results of this study are critical for improving our understanding the Martian climate and for planning of operations of future landers and rovers aiming to study the complex processes, e.g., drilling to link the layering of the Layered Polar Deposits (PLDs) to Martian paleoclimate, at the polar regions of Mars. Besides, the thickness measurements can be used to decipher the formation of enigmatic features at the Martian poles, e.g., araneiform terrain at the south and seasonal furrows at the north.
description: Aufgrund der Neigung seiner Rotationsachse unterliegt der Mars einem jahreszeitlichen Zyklus, ähnlich wie die Erde. Bis zu 30% des CO2 in der Atmosphäre stehen im Austausch mit der polaren Oberfläche durch einen saisonalen Ablagerungs-/Sublimationsprozess. Genaue Messungen des Niveaus und des Volumens der daraus resultierenden saisonalen Polkappen können als entscheidende Einschränkung für Modelle der zyklischen Veränderung der flüchtigen Bestandteile der Marsatmosphäre dienen. Das Ziel dieser Untersuchungen ist es, die räumlich-zeitlichen Schwankungen des Oberflächenniveaus an den Marspolen zu charakterisieren und unser Verständnis des CO2-Zyklus zu verbessern. Die erreichten Hauptziele dieser Arbeit sind wie folgt: A. Ich habe eine neue Geolokalisierung der Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) Messungen durchgeführt, wobei ich verbesserte Modelle für die Umlaufbahn der Raumsonde und die Marsrotation sowie ein verbessertes Geolokalisierungsverfahren verwendet habe. B. Ich habe eine unabhängige, neuartige Datenanalyse zur Erkennung von Höhenänderungen der Oberfläche vorgeschlagen, die auf der Koregistrierung der Laser-Altimetrieprofile basiert. Darüber hinaus wurde ein Nachkorrekturverfahren auf der Grundlage von Pseudo-Kreuzungspunkten der Laser-Altimetrie-Profile vorgeschlagen und implementiert. C. Ich habe mit Hilfe von MOLA-Profilen zeitaufgelöste Veränderungen der Höhe und des Volumens der saisonalen Schnee-/Eisbedeckung über ein Marsjahr hinweg erhalten. Es wurden Karten mit einer räumlichen Auflösung von 10° in der Länge und 0,5° in der Breite und einer zeitlichen Auflösung von 2° in dem Sonnenlängengrad erstellt und analysiert, z.B. über die maximale Höhe, die zwischenjährliche Veränderung der Höchsthöhe und die Akkumulation im frühen Winter. Zur besseren Darstellung wurden Animationen erstellt, die diese Prozesse veranschaulichen. D. Ich habe die Aufmerksamkeit auf das Verhalten der saisonalen Nordpolarkappe (SNPC) über den Dünenfeldern bei Olympia Undae gelenkt, wo der maximale Pegel bis zu 4 m betragen kann. Außerdem wurden im nördlichen Winter Pegelabnahmen von bis zu 3 m und im nördlichen Frühjahr Pegelanstiege von bis zu 2 m beobachtet. E. Ich habe eine Schüttdichtekarte der saisonalen Südpolkappe (SSPC) erstellt, indem ich unsere Dickenmessungen mit den Massenschätzungen aus einem Strahlungsbilanzmodell kombiniert habe. Darüber hinaus wurde die zeitliche Entwicklung der Schüttdichte sowohl der SSPC als auch der saisonalen Nordpolkappe (SNPC) ermittelt. Diese Ergebnisse wurden im Hinblick auf den physikalischen Zustand und die Entwicklung des saisonalen Schnees/Eises interpretiert. F. Ich habe die Machbarkeit der Verwendung von digitalen Geländemodellen (DTMs) aus der Stereophotogrammetrie, z.B. aus hochauflösenden Stereokamera (HRSC), als Referenzfläche zu verwenden, um Höhenschwankungen der saisonalen Polkappen zu überwachen. Die Ergebnisse dieser Studie sind von entscheidender Bedeutung für ein besseres Verständnis des Marsklimas und für die Planung des Einsatzes zukünftiger Lander und Rover, die die komplexen Prozesse in den Polregionen des Mars untersuchen sollen, z.B. Bohrungen, die die Schichtung der Layered Polar Deposits (PLDs) mit dem Paläoklima des Mars in Verbindung bringen. Außerdem können die Mächtigkeitsmessungen dazu verwendet werden, die Entstehung rätselhafter Merkmale an den Marspolen zu entschlüsseln, z.B. das "spinnenartige" Gelände im Süden und die saisonalen Furchen im Norden.