27. Oktober 2022
Marsbeben und Eisbrocken

Me­teo­ri­ten­ein­schlag lie­fert Blick un­ter die Mar­so­ber­flä­che

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Neuer Einschlagskrater mit Eisbrocken auf dem Mars
Neu­er Ein­schlags­kra­ter mit Eis­bro­cken auf dem Mars
Bild 1/5, Credit: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona

Neuer Einschlagskrater mit Eisbrocken auf dem Mars

Was­se­reis­bro­cken sind rund um den Rand den neu ent­stan­de­nen Ein­schlags­kra­ter auf dem Mars zu se­hen. Der 150 Me­ter große Kra­ter ent­stand am 24. De­zem­ber 2021 durch ei­nen Me­teo­ri­ten­ein­schlag in der Re­gi­on Ama­zo­nis Pla­ni­tia. Die Auf­nah­me stammt von der Hi­RI­SE-Ka­me­ra an Bord des Mars Re­con­naissance Or­bi­ter der NA­SA.
Vorher-Nacher-Vergleich des Einschlags
Vor­her-Nacher-Ver­gleich des Ein­schlags
Bild 2/5, Credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Vorher-Nacher-Vergleich des Einschlags

Die Schwarz-Weiß-Ka­me­ra an Bord des Mars Re­con­naissance Or­bi­ter nahm die­se Vor­her-Nach­her-Bil­der des Ein­schlags auf, der sich am 24. De­zem­ber 2021 in der Re­gi­on der Re­gi­on Ama­zo­nis Pla­ni­tia auf dem Mars er­eig­ne­te.
Meteoriteneinschlag auf dem Mars
Me­teo­ri­ten­ein­schlag auf dem Mars
Bild 3/5, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Meteoriteneinschlag auf dem Mars

An Hei­ligabend 2021 zeich­ne­te das fran­zö­si­sche Seis­mo­me­ter SEIS (Seis­mic Ex­pe­ri­ment for In­te­ri­or Struc­tu­res) auf der geo­phy­si­ka­li­schen Sta­ti­on In­Sight (gel­ber Stern) ein Erd­be­ben der Ma­gni­tu­de 4 auf. Bei der Aus­wer­tung des Seis­mo­gramms ana­ly­sier­te das SEIS-Wis­sen­schafts­team, dass das Mars­be­ben vom Ein­schlag ei­nes großen Me­teo­ri­ten her­rührt. Auch konn­te das Epi­zen­trum von „Er­eig­nis S1094b“ re­kon­stru­iert wer­den, die Ebe­ne Ama­zo­nis Pla­ni­tia nord­west­lich des Olym­pus Mons, des größ­ten Vul­kans auf dem Mars. Auf Bil­dern des Mars Re­con­naissance Or­bi­ter der NA­SA konn­te der neue Mar­s­kra­ter et­wa 3600 Ki­lo­me­ter von In­Sight ent­fernt ent­deckt wer­den. Er hat ei­nen Durch­mes­ser von 150 Me­tern und ist 21 Me­ter tief. Es ist das ers­te Mal, dass auf ei­nem an­de­ren Him­mels­kör­per ein Be­ben, das von ei­nem Me­teo­ri­ten- oder As­te­roi­den­ein­schlag her­rührt, auf­ge­zeich­net und dann der Ort des Ein­schlags re­kon­stru­iert und ge­fun­den wer­den konn­te.
Cerberus Fossae, von Vulkanismus und Tektonik geprägt
Cer­be­rus Fossae, von Vul­ka­nis­mus und Tek­to­nik ge­prägt
Bild 4/5, Credit: ESA/DLR/FU Berlin

Cerberus Fossae, von Vulkanismus und Tektonik geprägt

Wie vom Mes­ser durch­schnit­ten er­scheint die Land­schaft in der Re­gi­on Cer­be­rus Fossae. Die tek­to­ni­schen Bruch­struk­tu­ren ent­stan­den vor we­ni­ger als hun­dert Mil­lio­nen Jah­ren, viel­leicht so­gar erst vor zehn Mil­lio­nen Jah­ren. Dies lässt sich auch am Pro­fil der Fossae ab­le­sen, die von ex­trem stei­len, stel­len­wei­se fast senk­rech­ten und stel­len­wei­se mehr als 500 Me­ter ho­hen Wän­den be­grenzt sind, die durch Ero­si­on so gut wie nicht ab­ge­flacht sind. Das Seis­mo­me­ter SEIS auf der NA­SA-Missi­on In­Sight hat hier, et­wa 1700 Ki­lo­me­ter öst­lich der Lan­des­tel­le, zwei Be­ben recht ge­nau und ein wei­te­res mit et­was grö­ße­rer Un­si­cher­heit lo­ka­li­sie­ren kön­nen. Das Bild wur­de von der hoch­auf­lö­sen­den Ste­reo­ka­me­ra HR­SC auf der eu­ro­päi­schen Raum­son­de Mars Ex­press am 27. Ja­nu­ar 2018 auf­ge­nom­men.
Marsmission InSight
Mars­mis­si­on In­Sight
Bild 5/5, Credit: NASA/JPL-Caltech

Marsmission InSight

Mo­del­lier­te Dar­stel­lung der geo­phy­si­ka­li­schen NA­SA-Missi­on In­Sight an ih­rer Lan­des­tel­le in der Ebe­ne Ely­si­um Pla­ni­tia na­he dem Mar­s­äqua­tor. Vor der Platt­form sind zwei Ex­pe­ri­men­te auf dem Mars­bo­den plat­ziert: Das fran­zö­si­sche Seis­mo­me­ter SEIS (Seis­mic Ex­pe­ri­ment for In­te­ri­or Struc­tu­res) und die vom Deut­schen Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) ent­wi­ckel­te Ther­mal­son­de HP3 (He­at Flow and Phy­si­cal Pro­per­ties Packa­ge). In­Sight ist am 26. No­vem­ber 2018 auf dem Mars ge­lan­det. SEIS zeich­ne­te seit der In­be­trieb­nah­me An­fang 2019 ins­ge­samt 1318 Mars­be­ben auf.
  • Weihnachtliche Überraschung: Seismometer auf NASA-Mission InSight registriert an Heiligabend 2021 ein Marsbeben der Stärke 4, das sich als Meteoriteneinschlag herausstellte.
  • Der Einschlagsort konnte lokalisiert werden, wobei Bilder aus dem Orbit einen Krater von 150 Meter Durchmesser zeigen, in dem eine unterirdische Eisschicht freigelegt wurde.
  • Wichtige Hinweise auf unterschiedliche Strukturen, Porosität und Dichte der Kruste.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration, Mars, Asteroiden.

Die NASA-Mission InSight registrierte an Heiligabend 2021 mit seinem Seismometer SEIS die Erschütterungen eines Meteoriteneinschlags auf dem Mars, die so stark waren wie ein Beben der Magnitude 4. Unabhängig davon fotografierte der Mars Reconnaissance Orbiter der NASA einen neuen, 150 Meter großen Krater, der sich genau auf diesen 24. Dezember 2021 datieren ließ. Beide Forschungsteams tauschten sich aus und kamen zu dem Schluss, dass die Quelle der seismischen Aktivität und der Ort des neuen Kraters zusammenpassen. Dies war das erste Mal, dass ein Meteoriteneinschlag auf einem anderen Planeten sowohl fotografisch als auch seismisch registriert wurde. Erstaunlich waren große Mengen von Wassereis, die durch den Einschlag mit dem offiziellen Namen S1094b aus dem neuen Krater geschleudert wurden. In zwei heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikeln werden das Ereignis und seine Auswirkungen detailliert beschrieben. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind an den Analysen beteiligt. Zudem erschien parallel ein Artikel in Nature Astronomy zur Tektonik auf dem Mars, welcher die in den letzten Jahren mit InSight beobachteten Marsbeben als Auswirkung früherer vulkanischer Aktivitäten im Gebiet Cerberus Fossae interpretiert.

Der fotografische Nachweis hat den großen Vorteil, dass damit die genaue Richtung und Entfernung zum Epizentrum exakt bekannt ist, was sich mit einem einzelnen Seismometer sonst nur deutlich ungenauer abschätzen lässt. Dadurch kann viel genauer berechnet werden, auf welchem Weg die seismischen Wellen durch den Mars gelaufen sind, und welche Eigenschaften die Gesteine entlang dieses Wegs haben. Die Beobachtung von Meteoriteneinschlägen hilft so, das Innere des Mars noch besser zu verstehen.

Als der Meteorit in der Region Amazonis Planitia einschlug, sprengte er einen Krater mit einem Durchmesser von 150 Metern und einer Tiefe von 21 Metern in den Marsboden. Ausgeworfenes Material färbt die Oberfläche bis in etliche Kilometer Entfernung dunkel und ist vereinzelt noch in 37 Kilometer Entfernung zu sehen. Mit der seismischen Detektion durch InSight und den nachfolgenden Bildern des Mars Reconnaissance Orbiter hatten die Forscherinnen und Forscher das äußerst seltene Glück, die Entstehung eines Kraters dieser Größe zu beobachten. Mars hat insgesamt eine Vielzahl deutlich größerer Krater, die allerdings auch mehrere Millionen oder Milliarden Jahre alt sind.

Der Planet Mars
Der Planet Mars
Der Planet Mars ist bezüglich seines Durchmessers nur etwa halb so groß wie die Erde und hat nur ein Drittel der Masse der Erde. Er ist von einer dünnen Atmosphäre aus Kohlendioxid umgeben, das an den hohen Vulkanen des Planeten zu Eiskristallen kondensiert und Cirruswolken bildet. Nord- und Südpol des Mars sind von Eiskappen bedeckt, die jahreszeitlich bedingt wachsen und schrumpfen.
Credit: NASA/JPL/MSSS.

Eis unter der Oberfläche nahe des Marsäquators

Brandneue Krater bieten Einblicke in die Prozesse der Kraterbildung und legen frische, noch nicht von Wind, Wetter und Sonnenstrahlung modifizierte Materialien unter der Oberfläche frei. In diesem Fall wurden große Eisbrocken, die durch den Einschlag verstreut wurden, von der HiRISE-Farbkamera (High-Resolution Imaging Science Experiment) des Mars Reconnaissance Orbiter der NASA aufgenommen, was das Forschungsteam vermuten lässt, dass der Einschlag eine Eisschicht in 10 bis 20 Metern Tiefe unter der Oberfläche freigelegt hat. Für zukünftige bemannte Marsmissionen ist es besonders interessant, wo auf dem Mars unterirdisches Eis für die menschliche Nutzung zu finden ist: Unterirdisches Wassereis wurde schon mehrmals in den nördlichen Tiefebenen, aber noch nie so nahe am Marsäquator gesichtet, wo der Mars am wärmsten ist.

Zweiter Einschlag in seismischen Daten entdeckt

Nach der Untersuchung des seismischen Signals des Einschlags nahmen sich das Forschungsteam auch ältere Daten noch einmal vor, um nach ähnlichen Seismogrammen zu suchen. Tatsächlich fanden sie, dass das Epizentrum eines Marsbebens vom 18. September 2021 zu einem frischen Krater von mehr als 100 Meter Größe passt. Dieser Einschlag wird ebenfalls in der Studie beschrieben. „Es ist außergewöhnlich einen frischen Krater dieser Größe zu entdecken“, sagt Ingrid Daubar von der Brown University im US-Bundesstaat Providence, die die wissenschaftliche Arbeitsgruppe für Einschläge bei InSight leitet. „Das ist ein aufregender Moment in der geologischen Geschichte des Mars, und wir durften ihn miterleben.“

Oberflächenwellen erlauben Rückschlüsse auf Struktur der Marskruste

Das Beben, das durch den massiven Einschlag im Dezember 2021 ausgelöst wurde, war das erste von der Mission beobachtete Beben mit Oberflächenwellen - einer Art seismischer Welle, die sich entlang der Oberseite der Planetenkruste ausbreitet. In der zweiten der beiden heute in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeiten wird beschrieben, wie die Wissenschaftler diese Wellen nutzten, um die Struktur der Marskruste zu untersuchen. „Die Analysen der beiden Einschlagsereignisse zeigen, dass sich die Krustenstruktur auf der jeweiligen Strecke zwischen Impakt und der InSight-Plattform von der Krustenstruktur an der Landestelle selbst unterscheiden“, erklärt Dr. Ana-Catalina Plesa vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Die im Durchschnitt höhere Ausbreitungsgeschwindigkeiten der seismischen Wellen deuten auf eine andere Zusammensetzung der Kruste in diesen Bereichen hin. Eine niedrigere Porosität der Kruste dort könnte ebenfalls eine Ursache sein. Beides wiederum würde auf eine höhere Krustendichte hinweisen und auf lokale Variationen in der Dichte der Mars-Kruste, wie wir sie bisher nicht kannten.“ Vorläufige Analysen deuten darauf hin, dass die Krustenstruktur der nördlichen und südlichen Mars-Hemisphäre in den Tiefen von 5 bis 30 Kilometern ähnlich sein könnten. „Weitere Analysen und der direkte Vergleich von seismischen Wellen beider Einschlagsereignisse werden uns wichtige Hinweise über die Bildung und Ausprägung der ‚Mars-Dichotomie‘ geben, die die Teilung in nördliche Tiefländer und südliche Hochländer auf dem Mars beschreibt“, so Plesa weiter, die an der Studie beteiligt ist.

Viele Marsbeben liefern Hinweise zur Tektonik des Mars

In einer weiteren aktuellen Veröffentlichung im Fachmagazin Nature Astronomy werden die in den vergangenen drei Jahren registrierten Marsbeben in einen geologischen Kontext gesetzt: Die meisten dieser Beben, für die ein Epizentrum berechnet werden konnte, ereigneten sich im Gebiet Cerberus Fossae etwa 1500 Kilometer östlich der Position des InSight-Landers. Dabei handelt es sich um ein Gebiet von relativ jungem Vulkanismus, dessen letzte Ausbrüche vor etwa 50.000 bis 200.000 Jahren stattfanden. „Ein auffälliges Merkmal von Cerberus Fossae sind hunderte Kilometer lange, aber sehr schmale und tiefe Gräben, die sich wie Risse in einem aufgehenden Teig durch die Landschaft ziehen“, erklärt der Seismologe Dr. Martin Knapmeyer vom DLR-Institut für Planetenforschung, der an dieser Studie beteiligt ist. „Solche Gräben können entstehen, wenn sich vulkanische ‚Gänge‘ bilden, wenn also Magma aus größerer Tiefe in Risse der oberen Kruste eindringt, und dabei das ganze Gebiet aufwölbt und anhebt. Im Laufe der Zeit erstarrt das Magma und zieht sich dabei etwas zusammen. Einige der registrierten Marsbeben fanden an Orten statt, die sich in der Nähe der zuletzt ausgeworfenen Lava befinden und einige eben auch unter den sichtbaren Gräben. Dabei zeigen sich Seismogramme, die gut zu abkühlenden Ganggesteinen passen“, so Knapmeyer weiter.

Eine andere „Familie“ von Marsbeben dagegen zeigt eine ungewöhnlich langsame Bruchausbreitung, wie sie aus vulkanischen Gebieten auf der Erde, wie etwa auch der Eifel, bekannt ist. Diese langsame Bruchausbreitung steht im Zusammenhang mit der Erwärmung des Gesteins durch das eingedrungene Magma – je wärmer ein Gestein, desto langsamer die Ausbreitung seismischer Wellen. „Damit zeigen die Daten von SEIS, dass Cerberus Fossae auch im Untergrund von der Erde bekannten vulkanischen Gebieten ähnelt, und der Vulkanismus dort vielleicht wie in der Eifel noch nicht ganz erloschen ist, sondern gegenwärtig nur ruht“, unterstreicht Knapmeyer.

Finales Selfie der Marssonde InSight
Finales Selfie der Marssonde InSight
Die NASA-Marslandefähre InSight nahm dieses letzte Selfie am 24. April 2022 auf, dem 1.211. Marstag (Sol) der Mission. Die Solarpaneele des Landers haben sich seit der Landung auf dem Mars im November 2018 mit Staub bedeckt, was zu einem allmählichen Rückgang der Leistung geführt hat.
Credit: NASA/JPL-Caltech

InSight liefert den Blick ins Marsinnere

Die Marssonde InSight wurde zum Mars geschickt, um das tiefe Innere des Planeten - seine Kruste, seinen Mantel und seinen Kern - zu untersuchen, was den Wissenschaftlern Aufschluss über die Entstehung aller Gesteinsplaneten, einschließlich der Erde und des Mondes, geben kann. Seismische Wellen sind der Schlüssel zu diesem verbesserten Verständnis. Seit der Landung im November 2018 hat das SEIS-Experiment (Seismic Experiment for Interior Structrue) auf InSight 1.318 Marsbeben aufgezeichnet, darunter mehrere, die durch viel kleinere Meteoriteneinschläge verursacht wurden. Die meisten Beben haben allerdings tektonische Ursachen, also Verschiebungen von Gesteinspaketen wie bei Erdbeben, verursacht.

Wie oft es zu großen Meteoriteneinschlägen kommt ist nicht nur wegen einer möglichen Gefährdung von zukünftigen Astronauten von Interesse. Die Anzahl und Größe von Kratern auf anderen Planeten wird herangezogen, um das Alter ihrer Oberflächen zu bestimmen. In diese statistische Auswertung geht die Einschlagshäufigkeit ein, welche umso genauer ermittelt werden kann, je mehr Einschläge unmittelbar nach dem Ereignis entdeckt werden können. Bei dem kürzlich erfolgten Experiment der DART-Mission schließlich ging es darum, Einschläge wie jenen von S1094b auf der Erde zu verhindern.

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. Die Raumfahragentur im DLR hat 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. Darüber hinaus hat das DLR das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) mit dem „Marsmaulwurf“ beigesteuert.

Ausführliche Informationen zur Mission InSight finden Sie auf der DLR-Sonderseite zur Mission.

Das Science-Paper zur Entdeckung des Kraters aufgrund der SEIS-Messung und Rekonstruktion des Einschlagsorts finden Sie hier.

Das Science-Paper zu den ausgelösten Oberflächenwellen und der Struktur der Marskruste aufgrund von SEIS-Messungen finden Sie hier.

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    Telefon: +49 2203 601-3959
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  • Dr. Martin Knapmeyer
    HP³- und SEIS-Pro­jekt­wis­sen­schaft­ler und Mit­glied des In­Sight-Wis­sen­schafts­teams
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InSight

Die NASA-Landesonde InSight startete am 5. Mai 2018 eine Mission, die mit geophysikalischen Messungen direkt auf der Marsoberfläche den inneren Aufbau und den Wärmehaushalt des Planeten erkunden wird. Das DLR hat mit dem Instrument HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) ein Experiment zu dieser Mission beigesteuert.