Seismische Messungen auf dem Mars Das Innenleben des Roten Planeten

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Wie sieht es im Inneren des Mars aus? Dazu nutzen Forscher die Daten eines Seismographen, der seit 2019 Marsbeben auf dem roten Planeten misst. So hat ein Team der ETH Zürich neue Erkenntnisse über den Mantel und Kern des Mars erhalten und kann Vergleiche zum Aufbau der Erde ziehen.

Zürich/Schweiz – Dass Wissenschaftler hier auf der Erde mit hochempfindlichen Seismographen nach Erdbeben lauschen, ist nachvollziehbar. Schließlich können solche Naturkatastrophen ganze Städte dem Erdboden gleich machen und müssen daher früh erkannt und besser noch vorhergesagt werden. Doch was interessieren uns Erdbeben auf dem Mars?

Tatsächlich zeichnen Forscher seit Anfang 2019 haben bei der Insight-Mission Marsbeben auf und werten diese aus. Denn so können sie Kruste, Mantel und Kern des roten Planeten vermessen und darüber neue Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung des Planeten und somit auch des ganzen Sonnensystems erschließen.

Anatomie des Erden-Nachbars

Von der Erde weiß man, dass sie aus Schalen aufgebaut ist: Auf eine dünne Kruste aus leichtem, festem Gestein folgen der dicke Erdmantel aus schwerem, zähflüssigem Gestein und darunter der Erdkern, der größtenteils aus Eisen und Nickel besteht. Bei den terrestrischen Planeten und damit auch beim Mars wurde ein ähnlicher Aufbau vermutet. „Nun bestätigen seismische Daten, dass der Mars einst wohl vollständig geschmolzen war und sich heute in eine Kruste, einen Mantel und einen Kern unterteilt hat, die sich aber von der Erde unterscheiden“, sagt Amir Khan, Wissenschaftler am Institut für Geophysik der ETH Zürich und am Physik-Institut der Universität Zürich.

Der One-Plate-Planet

Die Forscher haben herausgefunden, dass die Marskruste unter dem Landeplatz der Sonde in der Nähe des Marsäquators eine Dicke von 15 bis 47 Kilometer hat, was vergleichbar mit der Dicke der Erdkruste ist. Eine solch dünne Kruste muss einen relativ hohen Anteil an radioaktiven Elementen enthalten, was die bisherigen Modelle zur chemischen Zusammensetzung der gesamten Kruste infrage stellt.

Unter der Kruste folgt der Mantel mit der so genannten Lithosphäre aus festerem Gestein, die bis in eine Tiefe von 400 bis 600 Kilometern reicht, doppelt so tief wie auf der Erde. Dies könnte daran liegen, dass es auf dem Mars heute nur eine einzige Kontinentalplatte gibt, im Gegensatz zur Erde mit ihren sieben großen, in Bewegung befindlichen Platten. „Die dicke Lithosphäre passt gut zum Modell vom Mars als ‚One-Plate-Planet‘“, fasst Khan zusammen.

Die Messungen zeigen zudem, dass der Marsmantel mineralogisch dem oberen Erdmantel gleicht. „So gesehen ist der Marsmantel eine simplere Version des Erdmantels“, sagt Khan. Die Seismologie enthüllt aber auch Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung. Der Marsmantel enthält z. B. viel mehr Eisen als jener der Erde.

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Neues zur Kernfrage

Wie kompliziert man sich die Schichtung des Marsmantels vorstellen muss, hängt auch von der Größe des darunterliegenden Kerns ab. Die Forscher fanden heraus, dass der Kernradius rund 1840 Kilometer beträgt. Damit ist er gut 200 Kilometer größer, als man vor 15 Jahren bei der Planung der Insight-Mission aufgrund der geringen Dichte des Planeten vermutet hatte. Die Größe des Kerns haben die Wissenschaftler nun mithilfe seismischer Wellen neu kalkuliert. „Aus dem jetzt bestimmten Radius können wir die Dichte des Kerns berechnen“, erklärt Simon Stähler, der zusammen mit Kahn die Daten der NASA-Mission Insight analysiert hat.

„Ist der Kernradius groß, muss die Dichte des Kerns relativ niedrig sein. Der Kern muss also – neben Eisen und Nickel – auch einen großen Anteil leichterer Elemente enthalten“, erklärt Stähler das Prinzip. In Frage kommen Schwefel auch Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff, allerdings müsste deren Anteil unerwartet groß sein. Die Forscher schließen daraus, dass die Zusammensetzung des gesamten Planeten noch nicht völlig verstanden ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass der Kern – wie vermutet – flüssig ist, auch wenn der Mars heute über kein Magnetfeld mehr verfügt, wie es der flüssige äußere Erdkern erzeugt.

Datenstrom endet, Arbeit noch lange nicht

Die neuen Resultate erzielten die Forscher durch die Analyse verschiedener seismischer Wellen, die bei Beben entstehen. „Schon früher konnten wir bei den Insight-Daten die unterschiedlichen Wellen sehen und wussten deshalb, wie weit weg von der Sonde diese Bebenherde auf dem Mars waren“, sagt der ETH-Professor Domenico Giardini. Um etwas über die innere Struktur von Planeten sagen zu können, braucht es auch Bebenwellen, die an oder unterhalb der Oberfläche oder am Kern reflektiert werden. Nun gelang es erstmals, solche Bebenwellen auf dem Mars zu messen und zu analysieren.

Der Datenstrom wird in einem Jahr enden, wenn die Solarzellen des Mars-Landers nicht mehr genügend Strom produzieren. „Doch wir sind mit der Auswertung aller Daten noch lange nicht zu Ende – der Mars gibt uns noch viele Rätsel auf, vor allem die Frage, ob er sich zur gleichen Zeit und aus demselben Material wie unsere Erde gebildet hat“, führt Giardini aus. Besonders wichtig sei, zu verstehen, wie die innere Dynamik des Mars zum Verlust des aktiven Magnetfeldes und des gesamten Oberflächenwassers führte. „Dies ermöglicht uns, zu erahnen, ob und wie diese Prozesse auf unserem Planeten ablaufen könnten“, erklärt der ETH-Professor. „Deshalb sind wir auf dem Mars, um seine Anatomie zu untersuchen.“

Originalpublikationen:

Khan A et al.: Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data. Science, 373, (6553) p. 434-438. DOI: 10.1126/science.abf2966

Knapmeyer-Endrun B et al.: Thickness and structure of the Martian crust from InSight seismic data. Science, 373, (6553) p. 438-443. DOI: 10.1126/science.abf8966

Stähler S et al.: Seismic detection of the Martian core. Science, 373, (6553) p. 443-448. DOI: 10.1126/science.abi7730

* F. Schmid, ETH Zürich, 8093 Zürich/Schweiz

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