Die Anatomie eines Planeten

Seit Anfang 2019 haben Forschende im Rahmen der InSight-Mission Marsbeben aufgezeichnet und ausgewertet. M?glich gemacht hat das ein Seismometer, dessen Datenerfassungs- und Steuerungselektronik an der ETH Z¨¹rich entwickelt wurde. Mit Hilfe dieser Daten haben die Forschenden nun Kruste, Mantel und Kern des roten Planeten vermessen ¨C Daten, die helfen werden, die Entstehung und Entwicklung des Planeten und somit auch des ganzen Sonnensystems zu erschliessen.

Mars einst vollst?ndig geschmolzen

Von der Erde weiss man, dass sie aus Schalen aufgebaut ist: Auf eine d¨¹nne Kruste aus leichtem, festem Gestein folgen der dicke Erdmantel aus schwerem, z?hfl¨¹ssigem Gestein und darunter der Erdkern, der gr?sstenteils aus Eisen und Nickel besteht. Bei den terrestrischen Planeten und damit auch beim Mars wurde ein ?hnlicher Aufbau vermutet. ?Nun best?tigen seismische Daten, dass der Mars einst wohl vollst?ndig 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 f¨¹r Geophysik der ETH Z¨¹rich und am Physik-Institut der Universit?t Z¨¹rich. Er analysierte zusammen mit seinem ETH-Kollegen Simon St?hler Daten der NASA-Mission InSight, an der die ETH Z¨¹rich unter der Leitung von Professor Domenico Giardini beteiligt ist.

Keine Plattentektonik auf dem Mars

Die Forschenden haben herausgefunden, dass die Marskruste unter dem Landeplatz der Sonde in der N?he des Mars?quators eine Dicke von 15 bis 47 Kilometer hat. Eine solch d¨¹nne 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 Lithosph?re aus festerem Gestein, die bis in eine Tiefe von 400 bis 600 Kilometern reicht, doppelt so tief wie auf der Erde. Dies k?nnte 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 Lithosph?re 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?, so Khan. Die Seismologie enth¨¹llt aber auch Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung. Der Marsmantel enth?lt zum Beispiel viel mehr Eisen als jener der Erde. Wie kompliziert man sich die Schichtung des Marsmantels vorstellen muss, h?ngt aber auch von der Gr?sse des darunterliegenden Kerns ab und auch hier gelangten die Forschenden zu neuen Erkenntnissen.  

Der Kern ist fl¨¹ssig und gr?sser als erwartet

Der Kernradius betr?gt n?mlich rund 1840 Kilometer und ist damit gut 200 Kilometer gr?sser, als man vor 15 Jahren bei der Planung der InSight-Mission aufgrund der geringen Dichte des Planeten vermutet hatte. Die Gr?sse des Kerns konnte nun mithilfe seismischer Wellen neu kalkuliert werden. ?Aus dem jetzt bestimmten Radius k?nnen wir die Dichte des Kerns berechnen?, erkl?rt Simon St?hler.

?Ist der Kernradius gross, muss die Dichte des Kerns relativ niedrig sein?, so sein Fazit. ?Der Kern muss also ¨C neben Eisen und Nickel ¨C auch einen grossen Anteil leichterer Elemente enthalten.? In Frage kommen Schwefel, aber auch Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff, allerdings m¨¹sste deren Anteil unerwartet gross sein. Die Forschenden schliessen daraus, dass die Zusammensetzung des gesamten Planeten noch nicht v?llig verstanden ist. Die aktuellen Untersuchungen best?tigen jedoch, dass der Kern ¨C wie vermutet ¨C fl¨¹ssig ist, auch wenn der Mars heute ¨¹ber kein Magnetfeld mehr verf¨¹gt.

Mit unterschiedlichen Wellenformen zum Ziel

Die neuen Resultate erzielten die Forschenden durch die Analyse verschiedener seismischer Wellen, die bei Beben entstehen. ?Schon fr¨¹her 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 Giardini. Um etwas ¨¹ber die innere Struktur von Planeten sagen zu k?nnen, braucht es auch Bebenwellen, die an oder unterhalb der Oberfl?che oder am Kern reflektiert werden. Nun gelang es den Forschenden erstmals, solche Bebenwellen auf dem Mars zu messen und zu analysieren.

?Die InSight-Mission war eine einmalige Gelegenheit, diese Daten zu erfassen?, so Giardini. Der Datenstrom wird in einem Jahr enden, wenn die Solarzellen des Landers nicht mehr gen¨¹gend Strom produzieren. ?Doch wir sind mit der Auswertung aller Daten noch lange nicht zu Ende ¨C der Mars gibt uns noch viele R?tsel auf, vor allem die Frage, ob er sich zur gleichen Zeit und aus demselben Material wie unsere Erde gebildet hat.? Besonders wichtig sei, zu verstehen, wie die innere Dynamik des Mars zum Verlust des aktiven Magnetfeldes und des gesamten Oberfl?chenwassers f¨¹hrte. ?Dies erm?glicht uns, zu erahnen, ob und wie diese Prozesse auf unserem Planeten ablaufen k?nnten?, erkl?rt Giardini. ?Deshalb sind wir auf dem Mars, um seine Anatomie zu untersuchen.?