Durch die Messung von seismischen Wellen können die Eigenschaften im Inneren und die innere Struktur eines Planeten erforscht werden. Solche Wellen werden beispielsweise von Beben oder durch Meteoriteneinschläge verursacht. Auf dem Mars werden die Scherwellen, die von einem Marsbeben ausgehen (roter Punkt) und vom Kern reflektiert werden, vom Seismometer SEIS auf der geophysikalischen Station InSight der NASA erfasst (weißer Punkt). Durch die Auswertung von Marsbeben war es jetzt möglich, zu einer besseren Abschätzung der Größe des Kerns (3700 Kilometer Durchmesser), der Dicke der Kruste (entweder 20 oder knapp 40 Kilometer) und der Struktur des Mantels (ähnlich und etwas einfacher als der obere Erdmantel) zu kommen. Außerdem zeigt die Stärke der reflektierten Wellen, daß zumindest der äußere Teil des Kerns flüssig sein muß, und sich Scherwellen darin nicht ausbreiten können.
Die Erde hat den doppelten Durchmesser und die zehnfache Masse des Mars, und ist größtenteils von Ozeanen bedeckt. Etwas weniger offensichtlich ist, daß die starre äußere Hülle der Erde, die Lithosphäre, aus sieben großen und vielen kleineren Platten besteht, die sich gegeneinander bewegen (die gelben Linien auf dem Erdglobus zeigen ihre Grenzen an). Der Mars dagegen ist ein Ein-Platten-Planet, d.h. seine Lithosphäre besteht nur aus einem Stück. Warum sich die beiden Planeten in dieser Hinsicht so sehr unterscheiden ist noch unklar - zu verstehen, wann und warum der Mars einen anderen Entwicklungsweg eingeschlagen hat als die Erde hilft daher auch zu verstehen, warum die Erde so ist, wie sie ist.
Olivin ist ein grünes Eisen-Magnesiumsilikat, das sehr häufig im oberen Erdmantel und in vulkanischen Schmelzen mit einem niedrigem Anteil an Silizium vorkommt. Die gesamten Ozeanböden der Erde bestehen aus erstarrten Laven mit einem hohen Anteil an Olivinmineralen, ebenso Vulkangebiete wie die Eifel, Hawaii oder der Ätna. Das hier gezeigte Beispiel der typischen grünen Olivinkristalle auf einem Basaltstein stammt vom Vulkan Mt. Erebus in der Antarktis. Erst in einer Tiefe von etwa 700 Kilometern wird im Erdmantel der Druck so hoch, dass Olivin in Minerale aus der Klasse der Gruppe der Perowskite übergeht, in denen die gleichen Atome in ein dichteres Kristallgitter "gepresst" sind. Die jüngsten aus Bebenwellen abgeleiteten Forschungsergebnisse zeigen nun, dass der etwas mehr als 1500 Kilometer mächtige Mantel des Mars eher dem oberen, olivinreichen Mantel der Erde gleicht, als dem unteren Mantel der Erde, der hauptsächlich aus Perowskit-Mineralen besteht.
Der Kern des Mars ist geschmolzen und größer als bisher vermutet.
Die Kruste des Mars ist dafür dünner als zuvor gedacht.
Marsbeben-Messungen der NASA-Mission InSight liefert neue Erkenntnisse, die nun im Fachmagazin Science erschienen sind.
Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration, Mars
Die Oberfläche unseres Nachbarplaneten Mars ist durch die Erkundung mit Raumsonden in der Umlaufbahn in fast allen Details bekannt. Wie der Planet jedoch in seinem Inneren aufgebaut ist, konnte bisher nur indirekt abgeleitet oder durch Rechenmodelle simuliert werden. Von der NASA-Mission InSight aufgezeichnete und unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ausgewertete Bebenwellen liefern nun neue Erkenntnisse: Der Kern des Roten Planeten ist größer als bisher angenommen, und der darüberliegende Mantel hat eine Struktur, die dem oberen Mantel der Erde ähnelt. Schließlich ist die Kruste, die äußerste Gesteinsschicht des Planeten, weniger dick als bislang vermutet. Das unter französischer Leitung entwickelte Mars-Seismometer SEIS sammelte in mehr als zwei Jahren die Daten dieses geologischen Puzzlespiels. Die Ergebnisse sind heute im Fachmagazin Science erschienen.
Dr. Martin Knapmeyer, der als Geophysiker am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin an der Auswertung beteiligt war, freut sich über den Durchbruch: „Modelle für den Aufbau des Mars gibt es seit bald hundert Jahren, aber hinsichtlich der Abmessungen von Kruste und Kern hat es seit Jahrzehnten kaum Fortschritte gegeben. Nur die Seismologie kann diese Größen direkt messen. Vorher mussten sie aus anderen Beobachtungen geschätzt werden.“
„Der Kern des Mars hat nach unseren Messungen einen Durchmesser von fast 3.700 Kilometern“, erläutert Dr. Ana-Catalina Plesa, ebenfalls vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Das ist etwa die Hälfte des Kern-Durchmessers der Erde und liegt eher am oberen Ende des Größenbereichs, den alle vorherigen Abschätzungen ergeben hatten“, erklärt die Wissenschaftlerin, die an zwei der drei Studien mitgearbeitet hat. Der Durchmesser des Mars beträgt mit 6.770 km etwa die Hälfte des Durchmessers der Erde.
„Ein größerer Kern bedeutet auch, dass seine Dichte geringer sein muss, als wir angenommen hatten“, erläutert Plesa weiter. „Die geringere Dichte zeigt, dass der Eisen-Nickel-Schmelze ein größerer Anteil von leichteren Elementen wie Schwefel, Kohlenstoff, Sauerstoff oder vielleicht sogar Wasserstoff beigemengt ist.“ Die neu bestimmte Dichte des Kerns geben die Forschenden mit etwa sechs Gramm pro Kubikzentimeter an. Die Dichte des Erdkerns ist mit 9 bis 13 Gramm pro Kubikzentimeter deutlich höher. Außerdem zeigt die Analyse der Seismogramme, dass der Marskern zumindest in seiner äußeren Zone geschmolzen sein muss. Die von Dr. Simon Stähler von der ETH Zürich geleitete Untersuchung des Kerns bestätigt damit frühere Messungen aus der Satellitengeodäsie, die aber die Kerngröße nicht genau bestimmen konnten.
Der Mars ist wie die Erde ein Planet mit Schalenaufbau
Von der Erde weiß man, dass sie aus Schalen aufgebaut ist: Auf eine dünne Kruste aus leichtem, spröden Gestein folgen der dicke Erdmantel aus schwerem, plastisch verformbaren Gestein, dessen Umwälzbewegungen die Kontientalplatten über die Erdkugel bewegen. Darunter befindet sich der Erdkern, der grösstenteils aus Eisen und Nickel besteht. Für die anderen erdähnlichen Körper des inneren Sonnensystems wie Mond, Merkur, Venus und eben auch den Mars wird ein ähnlicher Aufbau angenommen. Eines der wissenschaftlichen Hauptziele der NASA-Mission InSight ist es, den Schalenaufbau des Planeten zu untersuchen. InSight ist eine geophysikalische Station, die seit November 2018 in der Region Elysium Planitia nahe dem Marsäquator steht. Durch die seismischen Daten von InSight können nun die absoluten Dicken der einzelnen Schichten quantifiziert und die möglichen chemischen Zusammensetzungen eingeschränkt werden.
Krustendicke geringer als angenommen
„Auch für die Kruste des Mars und den Mantel darunter zwischen Kruste und Kern gibt es interessante neue Erkenntnisse“, betont Dr. Brigitte Knapmeyer-Endrun von der Erdbebenstation Bensberg der Universität Köln, Erstautorin der Science-Studie zur Krustendicke des Mars, an der auch Plesa und Knapmeyer beteiligt sind. Noch 2018 war für den Landeplatz der InSight-Mission eine Krustendicke irgendwo zwischen 19 und 90 Kilometer vorhergesagt worden. Knapmeyer-Endrun kann dies nun einschränken: „Die Daten lassen nur noch zwei Möglichkeiten zu: Entweder beträgt die Krustendicke am Landeplatz von InSight rund 20 Kilometer, oder aber sie liegt bei knapp 40 Kilometer, wofür ein zusätzliches schwaches Signal spricht.“
Globale Karten des Schwerefeldes und der Topographie des Mars erlauben eine Extrapolation dieser Punktmessung an der InSight-Landestelle auf den gesamten Planeten. Dies zeigt, dass die durchschnittliche Dicke der Marskruste zwischen 24 und 72 Kilometer liegt. „Die Marsforschung wartet seit Jahrzehnten auf einen 'Ankerpunkt' zur Kalibration der globalen Karten“, ordnet Martin Knapmeyer die Bedeutung des Ergebnisses ein. Die große Spannweite zwischen minimalem und maximalem Wert für die Krustendicke hängt mit der Verteilung von radioaktiven Elementen im Innern des Planeten zusammen, welche durch ihren Zerfall Wärme erzeugen und damit letztlich die geologischen Prozesse antreiben. Eine dickere Kruste stimmt besser mit der Häufigkeit von radioaktiven Elementen überein, die an der Oberfläche beobachtet wurden, während bei einer dünneren Kruste eine größere Konzentration solcher Elemente in der Tiefe vorliegen muss. „Die Bestimmung der Krustendicke basierend auf den InSight-Daten hilft uns nicht nur zu verstehen, wie der Mars heute aussieht, sondern liefert uns wichtige Informationen über seine thermische Entwicklung“, sagt Ana-Catalina Plesa.
Mantel des Mars 'simplere Version des Erdmantels'
Im Mantel der Erde herrscht ab etwa 700 Kilometer Tiefe der für die Bildung des Minerals Bridgmanit notwendige Druck. Bridgmanit ist ein silikatisches Magnesiumoxyd (MgSiO3) aus der Mineralfamilie der Perowskite. Solche Perowskite machen vier Fünftel des Erdmantels aus und entstehen nur unter extrem hohem Druck. Die neuen Messungen zeigen nun, dass dieser Druck erst im Eisenkern des Mars erreicht wird, und damit der gesamte Mantel des Mars von dem Mineral Olivin ((Mg,Fe)2SiO4) dominiert sein dürfte, ähnlich dem oberen Erdmantel.
Marsbeben-Wellen zeigen Schichtgrenzen
Die neuen Resultate erzielten die InSight-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler durch die Analysen verschiedener seismischen Wellen, die bei Beben entstehen. Bei Marsbeben wird, wie bei Erdbeben, Energie in Form von Wellen freigesetzt, die aus historischen Gründen "P-" und "S-"Wellen genannt werden. Die P-Wellen sind Druckwellen, so wie Schallwellen in der Luft. Bei S-Wellen erfolgt die Schwingung dagegen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wie bei einer Gitarrensaite. Da sich P-Wellen mit größerer Geschwindigkeit ausbreiten, kann man aus dem Zeitabstand zwischen der Ankunft der beiden die Entfernung des Bebenherds berechnen. Seismische Wellen durchqueren den Planeten und werden an verschiedenen Schichtgrenzen im Inneren reflektiert und gebeugt.
Das Seismometer der InSight-Mission hat seit Anfang 2019 mehr als 700 Marsbeben identifizieren können. Die direkt vom Herd zur Station laufenden P- und S-Wellen sind dabei augenfällig. Um die innere Struktur zu untersuchen, benötigen die Forschenden allerdings noch andere Signale: Da ein flüssiger Kern für S-Wellen undurchlässig ist, gibt es von der Grenze zum Kern besonders stark reflektierte Echos. Die Dicke der Kruste kann anhand eines Effektes ermittelt werden, der nur in festen Körpern auftritt: An der Grenze zwischen zwei Gesteinsarten, wie der zwischen Kruste und Mantel, kommt es zu einer teilweisen Umwandung von P- in S-Wellen, so daß am Seismometer zwei Signale ankommen, die umso weiter auseinander liegen, je dicker die Kruste ist.
Die NASA-Mission InSight mit Beteiligung des DLR
Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Das DLR steuert zur Mission das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) mit dem Marsmaulwurf bei. Dieser arbeitete bis Anfang 2021. Darüber hinaus hat die Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Beitrag des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum französischen Hauptinstrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) gefördert. Forschende des DLR sind an der Auswertung der SEIS-Daten beteiligt.
Ausführliche Informationen zur Mission InSight finden Sie auf der DLR-Sonderseite zur Mission.
