Die Kruste des Mars ist richtig dick

Im Mai 2022 registrierte der Marsbebendienst an der ETH Z¨¹rich das st?rkste jemals auf einem anderen Planeten beobachtete Beben. Das Ereignis mit der gesch?tzten Magnitude von 4,6 war vom Seismometer der InSight-Mission der Nasa auf der Marsoberfl?che erfasst worden. ?Dieses Marsbeben sandte starke seismische Wellen aus, die sich entlang der Marsoberfl?che bewegten?, sagt Doyeon Kim, Seismologe am Institut f¨¹r Geophysik der ETH Z¨¹rich.

Darauf hatten die Forschenden schon lange gehofft, denn Oberfl?chenwellen bewegen sich nicht nur vom Bebenherd zur Messstation, sondern umlaufen mehrmals den gesamten Planeten. Sie liefern deshalb nicht nur Informationen ¨¹ber bestimmte Bereiche des Planeten, sondern erm?glichen eine globale Sicht.

?Von diesem gr?ssten, w?hrend der gesamten InSight-Mission aufgezeichneten Beben beobachteten wir Oberfl?chenwellen, die bis zu dreimal den Mars umkreisten?, erz?hlt der Seismologe und Erstautor einer Studie, die jetzt in ?Geophysical Research Letters? ver?ffentlicht wurde. Um Aufschluss ¨¹ber die durchlaufenen Strukturen zu erhalten, massen die Forschenden, wie schnell sich diese Wellen bei verschiedenen Frequenzen ausbreiten.

Diese seismischen Geschwindigkeiten geben Aufschluss ¨¹ber den inneren Aufbau in verschiedenen Tiefen. Zuvor erlaubten die beobachteten Oberfl?chenwellen, die von zwei Meteoriteneinschl?gen ausgingen, nur begrenzte, regionale Erkenntnisse entlang der spezifischen Ausbreitungspfade dieser Bebenwellen. ?Dank dieses starken Bebens haben wir seismische Beobachtungen, welche die globale Struktur darstellen?, sagt Kim.

Globale Daten kombinieren

Ihre neu gewonnenen Resultate kombinierten die Forschenden mit bestehenden Daten zur Schwerkraft und Topografie des Mars, und konnten so die Dicke der Marskruste bestimmen. Sie betr?gt durchschnittlich 42 bis 56 Kilometer. Am d¨¹nnsten ist die Kruste im Bereich der Isidis-Tiefebene mit durchschnittlich 10 Kilometern, am dicksten in der Provinz Tharsis mit 90 Kilometern. Zum Vergleich: Die Erdkruste hat aufgrund seismischer Daten eine mittlere Dicke von 21 bis 27 Kilometer; die Dicke der Mondkruste, welche die Seismometer der Apollo-Missionen eruierten, liegt zwischen 34 und 43 Kilometer.

?Damit ist die Marskruste viel dicker als die Kruste der Erde oder des Mondes?, sagt Kim. Generell h?tten kleinere Planetenk?rper in unserem Sonnensystem eine dickere Kruste als gr?ssere, sagt der Forscher: ?Wir hatten Gl¨¹ck. Auf der Erde w?re es f¨¹r uns schwierig gewesen, mit einem vergleichbar starken Beben wie dem auf dem Mars die Dicke der Erdkruste zu bestimmen. Der Mars ist kleiner als die Erde, er kann aber auch die seismische Energie effizienter transportieren.?

Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Forschung betrifft den Unterschied zwischen der Nord- und S¨¹dhalbkugel des Mars. Diesen Kontrast beobachtet man, seit es Teleskope gibt; auf Bildern von Marssatelliten ist er besonders gut zu sehen: Der Norden besteht aus flachen Tiefebenen, w?hrend es im S¨¹den hohe Berge gibt. Die Aufteilung in n?rdliches Tiefland und s¨¹dliches Hochland wird Mars-Dichotomie genannt.

?Man k?nnte annehmen, dass sich dieser Unterschied durch zwei verschiedene Gesteinszusammensetzungen erkl?ren liesse?, sagt Kim: ?Das eine Gestein w?re dichter, also schwerer als das andere.? Oder aber die Zusammensetzung ist im Norden und S¨¹den dieselbe, doch die Dicke der Kruste unterscheidet sich. Wenn die Kruste im S¨¹den dicker ist, befindet sich weniger von dem dichteren Material des Marsmantels unter ihr, w?hrend unter einer d¨¹nneren Kruste im Norden mehr von diesem schwereren Material vorhanden ist.

D¨¹nnere Kruste im Norden

Genau dies konnten die Forschenden nun nachweisen. ?Anhand der seismischen Beobachtungen und der Gravitationsdaten zeigen wir, dass die Dichte der Kruste im n?rdlichen Tiefland und im s¨¹dlichen Hochland ?hnlich ist?, schreiben die Forschenden. Dagegen reicht die Kruste auf der S¨¹dhalbkugel in eine gr?ssere Tiefe als auf der Nordhalbkugel. ?Diese Erkenntnis ist spannend und erm?glicht es uns, eine langj?hrige wissenschaftliche Diskussion ¨¹ber den Ursprung und die Struktur der Marskruste zu beenden?, sagt Kim. Denn bereits im vergangenen Jahr lieferte die Analyse von Meteoriteneinschl?gen auf dem Mars Hinweise daf¨¹r, dass die Krusten im Norden und S¨¹den aus demselben Material bestehen.

Aus der Dicke der Marskruste lassen sich noch weitere Schl¨¹sse ziehen. ?Unsere Studie erkl?rt, wie der Planet W?rme erzeugt und wie er sich thermisch entwickelt hat?, sagt Kim. Als Planet, der anders als die Erde nur ¨¹ber eine einzige Platte verf¨¹gt, erzeugt in seinem Inneren vor allem der Zerfall von radioaktiven Elementen, wie Thorium, Uran und Kalium, W?rme. 

Die Studie ergibt, dass sich 50 bis 70 Prozent dieser W?rme produzierenden Elemente in der Marskruste befinden. Diese starke Anreicherung k?nnte erkl?ren, dass es darunter lokale Regionen gibt, in denen bis heute m?glicherweise Schmelzprozesse stattfinden.