Flüssiger Silikatmantel umhüllt Marskern Marsbeben lüften Kerngeheimnis des roten Planeten

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Aus Daten von Marsbeben haben Forscher neue Erkenntnisse über die Beschaffenheit des Kerns im Innern unseres Nachbarplaneten gewonnen. Dieser ist demnach kleiner und dichter als bisher angenommen und umgeben von einer flüssigen Schicht aus Silikaten.

Vier Jahre lang registrierte die Nasa-Sonde „Insight“ mit ihrem Seismometer Beben auf dem Mars. Forschende an der ETH erfassten und analysierten die zur Erde übermittelten Daten, um die innere Struktur des Planeten zu bestimmen. „Obwohl die Mission bereits im Dezember 2022 beendet wurde, haben wir jetzt etwas sehr Interessantes entdeckt“, sagt Amir Khan, Privatdozent der Abteilung Erdwissenschaften der ETH Zürich.

Die Analyse der registrierten Marsbeben, kombiniert mit Computersimulationen, zeigt ein neues Bild des Inneren des Planeten. Zwischen dem Marskern aus einer flüssigen Eisenlegierung und dem Mantel aus festem Silikatgestein befindet sich eine rund 150 Kilometer dicke Übergangsschicht aus flüssigen Silikaten. „Eine solche, völlig geschmolzene Silikatschicht sehen wir auf der Erde nicht“, sagt Khan.

Diese Erkenntnis liefert auch neue Werte für die Größe und Zusammensetzung des Marskerns und löst damit ein Rätsel, das sich die Forscher bisher nicht erklären konnten.

Die Analyse der ersten beobachteten Marsbeben hatte nämlich ergeben, dass die mittlere Dichte des Marskerns bedeutend kleiner sein musste als diejenige von reinem, flüssigem Eisen. Der Erdkern besteht zu rund 90 Gewichtsprozenten aus Eisen. Leichte Elemente wie Schwefel, Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff machen ungefähr 10 Gewichtsprozente aus. Im Marskern hatten die leichten Elemente gemäß der ersten Analysen einen Anteil von 20 Gewichtsprozenten. „Über dieses seltsame Resultat haben wir uns damals gewundert“, sagt Dongyang Huang, Postdoktorand am Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich.

Seismische Messungen auf dem Mars

Das Innenleben des Roten Planeten

So ist der Mars im Kern zusammengesetzt

Aufgrund der neuen Berechnungen beträgt der Radius des Marskerns nun anstatt 1.800 bis 1.850 Kilometer noch 1.650 bis 1.700 Kilometer und macht damit ungefähr 50 Prozent des Radius vom Mars aus. Zu ähnlichen Ergebnissen kommt auch eine Studie unter der Leitung von Henri Samuel vom Institut de Physique de Globe de Paris, die gleichzeitig zu der ETH-Studie erschienen ist.

Ist der Marskern kleiner als bisher angenommen, aber gleich schwer, so bedeutet dies folgendes: Seine Dichte ist größer, und er enthält weniger leichte Elemente. Gemäß den neuen Berechnungen sinkt der Anteil der leichten Elemente auf 9 bis 14 Gewichtsprozente. „Damit ist die mittlere Dichte des Marskerns zwar immer noch etwas klein, aber nicht mehr unerklärbar“, sagt Paolo Sossi, Assistenzprofessor in der Abteilung Erdwissenschaften der ETH Zürich. Denn die verbreitete Annahme ist, dass der Mars sehr früh entstanden ist, als die Sonne noch von einem Gasnebel mit leichten Elementen umgeben war, die sich im Kern ansammeln konnten.

Frühere Berechnungen basierten auf schlecht geeigneten Daten

Die ersten Berechnungen zur Krengröße des roten Planeten basierten noch auf Beben, die ziemlich nahe bei der Insight-Sonde stattgefunden hatten. Im August und September 2021 registrierte das Seismometer jedoch zwei Beben von der anderen Seite des Mars, eines davon ausgelöst durch einem Meteoriteneinschlag. „Diese Beben produzierten seismische Wellen, die durch den Kern liefen“, sagt Cecilia Duran, Doktorandin der ETH-Arbeitsgruppe. „Damit konnten wir den Kern durchleuchten.“

Bei den früheren Beben hingegen wurden die Wellen an der Kerngrenze reflektiert und lieferten keine Informationen über den inneren Bereich des Planeten. Mit den zusätzlichen Daten haben die Forschenden nun Profile der Dichte und der Geschwindigkeit der Bebenwellen im Kern erstellt, die bis in eine Tiefe von rund 1.000 Kilometer im Kern reichen.

Das neue Marsmodell sieht einen flüssigen Silikatmantel vor

Um aus solchen Profilen auf die Zusammensetzung des Materials zu schließen, vergleichen Wissenschaftler normalerweise die Werte mit jenen von künstlich hergestellten Eisenlegierungen, die unterschiedliche Anteile anderer Elemente enthalten. Im Labor setzt man diese Legierungen hohen Temperaturen und Drücken aus, wie sie im Planeteninnern herrschen, und misst die entsprechende Dichte und Geschwindigkeit der Bebenwellen. Doch die meisten dieser Experimente beziehen sich auf das Innere der Erde und lassen sich kaum auf den Mars anwenden. Die ETH-Forschenden verwendeten deshalb eine andere Methode: Sie bestimmten die Eigenschaften verschiedenster Legierungen mit quantenmechanischen Berechnungen, die sie am Nationalen Hochleistungsrechenzentrum der Schweiz (CSCS) in Lugano durchführten.

Als die Forschenden die berechneten mit den gemessenen Profilen verglichen, stießen sie allerdings auf ein Problem: Es gab kein Material, das gleichzeitig zu den Werten im Innern und am äußeren Rand des Kerns passte. An der Kerngrenze hätte die Eisenlegierung beispielsweise viel mehr Kohlenstoff enthalten müssen als im Kerninnern. „Das brachte uns auf die Idee, dass der Bereich, den wir früher als den äußeren, flüssigen Eisenkern betrachtet hatten, gar nicht der Kern ist, sondern der tiefste Bereich des Mantels“, erklärt Postdoktorand Huang. Tatsächlich stimmten die in den äußersten 150 Kilometer gemessenen und berechneten Profile überein mit denjenigen einer flüssigen Schicht aus Silikatmaterial, aus dem auch der Marsmantel besteht. Weitere Analysen der früheren Marsbeben sowie zusätzliche Computersimulationen bestätigten dieses Resultat.

Originalpublikationen:

Khan A, Huang D, Duran C, Sossi PA, Giardini D, Murakami M: Evidence for a liquid silicate layer atop the Martian core, Nature, 622, pages 718–723, 25. Oktober 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-06586-4

Samuel H, Drilleau M, Rivoldini A, et al.. Geophysical evidence for an enriched molten silicate layer above Mars' core, Nature, 622, pages 712–717, 25. Oktober 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-06601-8

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