The focus of this thesis is the investigation of the spatial configuration and formation mechanisms of a type of terrain known as araneiform terrain or "spiders" found in the south polar regions of Mars. Seasonal sublimation and condensation of CO2 at the poles are an essential part of cycles of global volatiles (CO2 and H2O) and dust, e.g., up to 25% of the Martian atmosphere's CO2 interacts annually with the polar surfaces. The seasonal CO2 ice condenses on the poles of Mars each autumn/winter; it can form translucent slab ice which is transparent in the visible light and opaque in the infrared. This physical property allows basal sublimation of the seasonal CO2 ice under insolation in spring. The resulting CO2 accumulation and jetting leads to transitional features such as dark spots/fans and radial or dendritic troughs known as araneiform terrain (“spiders”). Thus, spider formation is linked to the global CO2 cycle and the seasonal evolution of the Martian poles which are sensitive to the Mars climate. It is one of the most active current erosive processes on Mars which involves mobilization of material jetted from the substrate relocating a greater mass of dust than either dust storms or the cumulative effect of dust devils. Observations at seven study regions in this work reveal diverse morphologies of spider forms, which suggest variability of araneiform formation processes. Based on my observations, a spider formation model is developed to explain the formation of spiders and their growth processes. I consider the migration of pressurized CO2 through the porous substrate towards cracks in the overlying CO2 ice layer, and the effect of the substrate's cohesive strength on the development of spider troughs. Thus, substrate properties (permeability, porosity, and cohesion) are significant parameters controlling the mechanism of spider growth. The major advantage of this model is that it explains the mechanism of the growth of central pits and radiating troughs, and parameters (e.g., trough length) of their morphologies, which have not been considered before. This model suggests that spider troughs are created from the developments of random protrusions of initial degradational forms. My trough orientation mappings and constructed rose diagrams are consistent with this theory showing that spider troughs do not have preferred orientations and appear randomly distributed. Due to rate differences between local pressure accumulation and lateral gas migration, the model reveals an inhibited zone existing around a newly formed spider that diminishes pressure accumulation preventing another CO2 jet. This suggests the spatial distributions of spiders to be non–random. Spatial randomness analysis of the seven spider populations confirms this non–randomness and indicates a strong regional variation of spider average spacings. Regional differences in substrate properties (permeability, porosity, and cohesion) are the likely causes of the regional variation. Other parameters, such as seasonal CO2 ice thickness and grain size, local climate, obliquity, and latitude, also influence spider formation and spatial configurations. This research improves the understanding of how CO2 jetting and subsequent spider formation shaped and modified the south polar surface of Mars which may actively occur at the present time, and how volatiles (CO2 and water) and dust play their roles in the polar processes and Mars global circulation. Furthermore, it provides insight into the recent climate conditions of Mars.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der räumlichen Konfiguration und des Bildungsmechanismus eines polaren Geländetyps, der als araneiformes Gelände oder "Spinnen" am Südpol des Mars bekannt ist. Saisonale Sublimation und Kondensation von CO2 an den Polen sind ein wesentlicher Bestandteil der globalen Zyklen von Volatilen (CO2 und H2O) und Staub, z. B. interagieren bis zu 25% des CO2 der Marsatmosphäre jährlich mit den polaren Oberflächen des Mars. Das saisonale CO2-Eis kondensiert jeden Herbst/Winter an den Polen des Mars. Es kann in Form von durchscheinendem Eisplatten vorliegen, die im sichtbaren Licht transparent und im Infrarot undurchsichtig sind. Diese physikalische Eigenschaft ermöglicht eine Sublimation des saisonalen CO2-Eises an der Basis unter Sonneneinstrahlung in Quellen. Das dadurch verursachte Herausschießen von CO2 führt zur Bildung vergänglicher Geländemerkmale wie dunklen Flecken / Fächern und radialen oder dendritischen Tälern, die als araneiformes Gelände (“Spinnen“) bekannt sind. Somit ist die Spinnenbildung mit dem globalen CO2-Kreislauf und der saisonalen Entwicklung der Mars-Pole gekoppelt. Beide Prozesssysteme sind für das Mars-Klima empfindlich. Die Bildung von araineiformen Gelände ist einer der derzeit aktivsten erosiven Prozesse auf dem Mars, bei dem Material mobilisiert wird, welches aus dem Substrat ausgestoßen wird und so eine größere Staubmasse als Staubstürme oder die kumulative Wirkung von Staubteufeln verlagert. In dieser Arbeit zeigen Beobachtungen in sieben Untersuchungsregionen verschiedene Morphologien von Araneiformen, die auf die Variabilität der Bildungsprozesse hindeuten. Basierend auf meinen Beobachtungen wird ein Modell zur Bildung von Spinnen entwickelt, um die Spinnenbildung und ihre Wachstumsprozesse zu erklären. Ich betrachte die Migration von unter Druck stehendem CO2 durch das poröse Substrat zu Rissen in der darüber liegenden CO2-Eisschicht und den Einfluss der Kohäsion des Substrats auf die Entwicklung von Spinnen-Hohlformen. Dabei sind Substrateigenschaften (Permeabilität, Porosität und Kohäsion) wichtige Parameter, die den Mechanismus des Spinnenwachstums steuern. Der Hauptvorteil dieses Modells besteht darin, dass es sowohl den Mechanismus des Wachstums von zentralen Trögen und davon radialen Rinnen als auch Parameter (z. B. Troglänge) ihrer Morphologie erklärt, die zuvor nicht berücksichtigt wurden. Dieses Modell legt nahe, dass sich die radialen Spinnentröge aus zufälligen Vorsprüngen anfänglicher Erosionsformen entwickeln. Meine Kartierung der Orientierung der einzelnen Rinnen und die konstruierten Rosendiagramme stimmen mit dieser Theorie überein und zeigen, dass Spinnentröge keine bevorzugten Orientierungen haben und zufällig verteilt erscheinen. Aufgrund von Geschwindigkeitsunterschieden zwischen lokaler Druckakkumulation und lateraler Gasmigration zeigt das Modell eine verbotene Zone um eine neu gebildete Spinne, die die Druckakkumulation verringert und die Ausbildung eines weiteren CO2-Strahls verhindert. Dies legt nahe, dass die räumlichen Verteilungen von Spinnen nicht zufällig sind. Die räumliche Zufallsanalyse der sieben Spinnenpopulationen bestätigt diese Nicht-Zufälligkeit und zeigt eine starke regionale Variation der durchschnittlichen Abstände der Araneiformen. Regionale Unterschiede in den Substrateigenschaften (Permeabilität, Porosität und Kohäsion) sind die wahrscheinlichen Ursachen für diese regionale Variation. Andere Parameter wie die Dicke des saisonalen CO2-Eises und seine Korngröße, das lokale Klima, die Neigung und der Breitengrad beeinflussen ebenfalls die Bildung von Spinnen und die ihre räumlichen Konfigurationen. Diese Forschung verbessert das Verständnis dafür, wie CO2-Jets sowie die durch sie verursachte Spinnenbildung als derzeit aktiv auftretende Prozesse die Marsoberfläche im Bereich des Südpols geformt und modifiziert haben, und wie flüchtige Stoffe (CO2 und Wasser) und Staub ihre Rolle bei den polaren Prozessen spielen und Mars globale Verbreitung. Darüber hinaus ermöglicht sie Einblicke in die rezenten Klimabedingungen des Mars.
