22. Juli 2021
Marsbebenmessungen decken auf

Ro­ter Pla­net hat grö­ße­ren Kern und dün­ne­re Krus­te

Marsbebenwellen verraten den inneren Aufbau
Mars­be­ben­wel­len ver­ra­ten den in­ne­ren Auf­bau
Bild 1/7, Credit: Chris Bickel/Science

Marsbebenwellen verraten den inneren Aufbau

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.
Vergleich von Erde und Mars
Ver­gleich von Er­de und Mars
Bild 2/7, Credit: NASA/JPL-Caltech

Vergleich von Erde und Mars

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.
NASA-Sonde InSight auf dem Mars
NA­SA-Son­de In­Sight auf dem Mars
Bild 3/7, Credit: NASA/JPL-Caltech

NASA-Sonde InSight auf dem Mars

In­Sight ist ei­ne sechs Me­ter brei­te und ei­nen Me­ter ho­he geo­hy­si­ka­li­sche Sta­ti­on von et­wa 700 Ki­lo­gramm Mas­se. Sie steht seit dem 26. No­vem­ber 2018 in der Re­gi­on Ely­si­um Pla­ni­tia ein we­nig nörd­lich des Mar­s­äqua­tors. Zwei der Haupt­in­stru­men­te sind das un­ter Mit­wir­kung des Max-Planck-In­sti­tu­tus für Son­nen­sys­tem­for­schung ge­bau­te fran­zö­si­sche Seis­mo­me­ter SEIS (links vor­ne in der künst­le­ri­schen Dar­stel­lung, das ei­gent­li­che In­stru­ment be­fin­det sich un­ter der Wind- und Ther­mal­schutz­kup­pel) zur Mes­sung von Mars­be­ben und das am DLR ent­wi­ckel­te und ge­bau­te Wär­me­fluss­ex­pe­ri­ment HP3 (rechts vor­ne). Das klei­ne Bild zeigt ein mit der Ka­me­ra am En­de des Ro­bo­ter-Grei­farms auf­ge­nom­me­nes 'Sel­fie' der Son­de: Auf den So­lar­pa­ne­len hat sich Staub ab­ge­la­gert, der ge­gen­wär­tig die Strom­pro­duk­ti­on re­du­ziert und ak­tu­el­len nur ei­nen ein­ge­schränk­ten Be­trieb der Son­de ge­stat­tet.
Die Marsbebenstation SEIS
Die Mars­be­ben­sta­ti­on SEIS
Bild 4/7, Credit: NASA/JPL-Caltech

Die Marsbebenstation SEIS

Ei­ne Ka­me­ra an Deck der In­Sight-Platt­form film­te im Zeitraf­fer ei­ne Art "Dau­men­ki­no" des Wet­ter­ge­sche­hens an ei­nem Mars­tag. In der Bild­mit­te ist das Seis­mo­me­ter un­ter sei­ner Wind­schutz­hau­be zu se­hen. Das In­stru­ment ist so emp­find­lich, dass es die vom Wind und von Staub­wir­beln er­zeug­ten win­zi­gen Er­schüt­te­run­gen des Mars­bo­dens und die leich­ten Be­we­gun­gen des Da­ten­ka­bels mes­sen kann. Um die­ses "Rau­schen" in den Da­ten zu re­du­zie­ren, soll nun mit der Schau­fel des Ro­bo­ter­arms das Ka­bel mit Sand be­deckt und so bes­ser fi­xiert wer­den.
Schnittbild des Seismometers SEIS
Schnitt­bild des Seis­mo­me­ters SEIS
Bild 5/7, Credit: IPGP/D. Ducros

Schnittbild des Seismometers SEIS

SEIS ist ein Seis­mo­me­ter zur Mes­sung der Be­we­gun­gen im Mars­bo­den in ver­schie­de­nen Fre­quen­zen. Es ent­hält sechs seis­mi­sche und wei­te­re Hilfs­sen­so­ren Das In­stru­ment wur­de von der fran­zö­si­schen Welt­rau­m­agen­tur (CNES) un­ter Be­tei­li­gung des Max-Planck-In­sti­tuts für Son­nen­sys­tem­for­schung in Göt­tin­gen ent­wi­ckelt und ge­baut. Das Herz­stück des SEIS-Ex­pe­ri­ments sind drei Pen­del, die auch auf kleins­te Be­we­gun­gen der Mar­so­ber­flä­che rea­gie­ren. Der Aus­schlag der Pen­del wird elek­tro­nisch auf­ge­zeich­net. Weil sich Ma­te­ria­li­en bei Wär­me aus­deh­nen und bei Käl­te zu­sam­men­zie­hen, ist SEIS mit ei­nem raf­fi­nier­ten Ther­mal­sys­tem in Form von meh­re­ren Iso­la­ti­ons­hül­len aus­ge­stat­tet, ver­gleich­bar mit dem 'Zwie­bel­scha­len­prin­zip' bei mo­der­ner Out­door­klei­dung. Die Hül­len re­du­zie­ren die Tem­pe­ra­tur­schwan­kun­gen an den Sen­so­ren, so­dass im In­stru­ment dau­er­haft sta­bi­le Mess­be­din­gun­gen herr­schen. Die äu­ßers­te wei­ße Kup­pel dient spe­zi­ell dem Schutz vor dem Wind; ei­ne fle­xi­ble "Ja­lou­sie" ge­währ­leis­tet ei­nen dich­ten Ab­schluß am Bo­den.
Spuren von Marsbeben aus der Vergangenheit
Spu­ren von Mars­be­ben aus der Ver­gan­gen­heit
Bild 6/7, Credit: ESA/DLR/FU Berlin

Spuren von Marsbeben aus der Vergangenheit

Spu­ren von tek­to­ni­schen Span­nun­gen und Mars­be­ben sind auf un­se­rem Nach­bar­pla­ne­ten all­ge­gen­wär­tig. Vor al­lem in den mehr als drei Mil­li­ar­den Jah­ren al­ten süd­li­chen Hoch­län­dern sieht man sehr häu­fig Mus­ter von na­he­zu li­ne­ar und par­al­lel ver­lau­fen­den Bruch­struk­tu­ren, die durch die Deh­nung der sprö­den Krus­te und den dar­aus re­sul­tie­ren­den Brü­chen ent­ste­hen. Durch die Deh­nung ent­steht senk­recht zur Rich­tung der wir­ken­den tek­to­ni­schen Kraft zu­sätz­li­cher Raum, in den gan­ze Kurs­ten­blö­cke ab­sa­cken, und zwi­schen die­sen ab­ge­sack­ten Blö­cken blei­ben Krus­ten­seg­men­te ste­hen, so dass ei­ne cha­rak­te­ris­ti­sche, in der geo­lo­gi­schen Fach­spra­che welt­weit mit dem deut­schen Be­griff als "Horst- und Gra­ben"-Mus­ter be­zeich­ne­te Land­schaft ent­steht. Sol­che großen struk­tu­rel­len Ver­än­de­run­gen ge­hen stets mit star­ken Be­ben ein­her. Bei­spie­le auf der Er­de sind das Ost­afri­ka­ni­sche Rift Val­ley oder der Ober­rhein­gra­ben.
Das Mineral Olivin
Das Mi­ne­ral Oli­vin
Bild 7/7, Credit: Oliver Grobe, AWI (CC BY-SA 2.5)

Das Mineral Olivin

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.

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