Der Wär­me­fluss

Wir verstehen die Planeten als Wärmekraftmaschinen, ähnlich – in gewisser Weise – wie Dampfmaschinen. Als die Planeten gebildet wurden, heizten sich diese durch die Einschläge der auf sie einstürzenden Planetesimale auf. Darüber hinaus wird im Gestein durch den Zerfall radioaktiver Isotope von Uran, Thorium und Kalium Wärme erzeugt. Im Laufe der Äonen kühlt der Planet ab, was man als seine thermische Evolution beschreibt. Die Abkühlung erfolgt im tiefen Innern durch den sogenannten konvektiven Wärmetransport, oder Wärmetransport durch Bewegung. Vereinfacht gesagt, steigt dabei heißes Gestein Richtung Oberfläche auf und kaltes sinkt ins Innere. Die Bewegung des heißen, manchmal sogar geschmolzenen Gesteins verursacht Gebirgsbildung und Vulkanismus, der Planet leistet dabei mechanische Arbeit, wie eine Wärmekraftmaschine. Die mechanische Arbeit ist hauptsächlich Verformungsarbeit, wie zum Beispiel Gebirgsbildung. Die dabei erzeugten Spannungen werden unter anderem durch Erdbeben, oder besser Marsbeben, abgebaut. Man kann die thermischen Spannungen berechnen und daraus Bebenzonen vorhersagen.

Die konvektive Kühlung des Gesteinsmantels kann sogar Konvektion im Kern und dabei einen Dynamomechanismus antreiben, der ein planetenweites Magnetfeld erzeugt, wie wir es von der Erde kennen. Dies ist beim Mars heute nicht mehr so, könnte aber in der früheren Vergangenheit, vor circa vier Milliarden Jahren, der Fall gewesen sein. Dafür sprechen alte, magnetisierte Krustengesteine. Man kann den Wärmetransport aus dem Inneren des Planeten charakterisieren, indem man den Wärmefluss an der Oberfläche misst. Dies war die Aufgabe des Heat Flow and Physical Properties Packages (HP³) vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR). Darüber hinaus charakterisiert man mit Hilfe der Abwärme die Leistung der planetaren Wärmekraftmaschine. Je höher der Wärmefluss ist, desto aktiver wird der Planet sein. Der Wärmefluss hilft auch bei der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Gesteinssphäre des Planeten, da die Wärmeproduktionsrate von der Konzentration der radioaktiven Elemente im Inneren, insbesondere in der Kruste, abhängt. Die Kruste aus basaltischem Gestein entsteht durch Vulkanismus, wobei radioaktive Elemente im Magma und daher im basaltischen Krustengestein angereichert werden.

Der Wärmefluss wird bestimmt, indem man die sogenannte geothermische Tiefenstufe, den Anstieg der Temperatur pro Meter, mit der Wärmeleitfähigkeit multipliziert. Die geothermische Tiefenstufe wird bestimmt, indem man die Temperatur in einem Bohrloch in mehreren Tiefen misst. Die DLR Wärmeflusssonde HP³ bewerkstelligte dies, indem sich eine kleine Rammsonde, genannt Maulwurf (engl. Mole), in den Boden bohrte und ein Flachbandkabel, das mit 14 Temperatursensoren bestückt ist, hinter sich herzog. Die Temperatur an allen Messpunkten wurde alle 15 Minuten gemessen. Eine zeitlich längere Messung ist notwendig, da die geothermische Tiefenstufe durch mehrere von der Oberfläche eindringende Wärmewellen gestört wird. Dazu gehört die von dem Tagesgang der Oberflächentemperatur erzeugte Tageswelle, die aber nur einige Zentimeter tief eindringt. Bedeutsamer ist die Jahreswelle, die durch den jahreszeitlichen Temperaturgang erzeugt wird und – je nach Wärmeleitfähigkeit des Untergrunds – bis zu drei Meter eindringen kann. Die Wärmeleitfähigkeit des Bodens maß HP³ beim Eindringen in den Boden. Dabei wurde die Außenhaut des Maulwurfs mit einer konstanten Leistung beheizt und gleichzeitig die Temperatur der Außenhaut gemessen. Der Anstieg dieser Temperatur verhält sich umgekehrt zur Wärmeleitfähigkeit. Ist diese niedrig, ist der Temperaturanstieg groß und umgekehrt.