Dank Marsbeben zum Kern vordringen

Von der Erde weiss man, dass sie aus Schalen aufgebaut ist: Auf eine d¨¹nne Kruste aus leichtem, festen Gestein folgen der dicke Erdmantel aus schwerem, z?hfl¨¹ssigem Gestein und darunter der Erdkern der gr?sstenteils aus Eisen und Nickel besteht. Von Mars wurde ein ?hnlicher Aufbau angenommen. ?Nun best?tigen seismische Daten unsere Ansicht, dass der Mars ein differenzierter Planet ist, der einst wohl vollst?ndig geschmolzen war und sich in eine Kruste, einen Mantel und einen Kern unterteilt hat - mit unterschiedlicher Zusammensetzung wie in der Erde?, 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 ETH-Kollege Simon St?hler und einem internationalen Team Daten der NASA-Mission InSight, an der die ETH Z¨¹rich unter der Leitung von Professor Domenico Giardini beteiligt ist.

Gleich in drei Arbeiten in der Zeitschrift ?Science? werden die Resultate der Forschenden heute ver?ffentlicht. Danach hat die Marskruste unter dem Landeplatz der Sonde in der N?he des Mars?quators eine Dicke von 25 bis 45 Kilometer. Darunter folgt der Mantel mit der Lithosph?re aus festem Gestein. Die Lithosph?re des Mars ist viel dicker als die der Erde. Auf dem Mars reicht diese Schicht bis in eine Tiefe von 400 bis 600 Kilometern, auf der Erde nur bis maximal 250 Kilometer. Dies k?nnte erkl?ren, warum es auf dem Mars keine Indizien f¨¹r eine Plattentektonik gibt. Der Planet scheint aus einer einzigen Platte zu bestehen im Gegensatz zur Erde mit ihren sieben grossen Kontinentalplatten. ?Die dicke Lithosph?re passt gut zu diesem Modell von Mars als ¡®One-Plate-Planet¡¯?, fasst Khan zusammen.

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

Erstmals gelang es den Forschenden zudem, die Gr?sse des Marskerns mithilfe seismischer Wellen abzusch?tzen. Demnach betr?gt der Kernradius rund 1840 Kilometer, was etwa der H?lfte des Radius des Erdkerns entspricht. Damit ist der Marskern gut 200 Kilometer gr?sser als man vor 15 Jahren bei der Planung der InSight-Mission vermutet hatte. ?Aus dem jetzt bestimmten Radius k?nnen wir die Dichte des Kerns berechnen?, erkl?rt Simon St?hler. Denn die Forschenden kennen die mittlere Dichte des gesamten Mars. Und die mittlere Dichte von Kruste und Mantel l?sst sich aus der Untersuchung von Marsmeteoriten absch?tzen. Daraus kann man berechnen, wie viel Material noch im Kern stecken muss.

?Ist der Kernradius gross, muss die Dichte des Kerns relativ niedrig sein?, erkl?rt Simon St?hler: ?Der Kern muss also neben Eisen auch einen grossen Anteil leichterer Elemente enthalten.? In Frage kommen Schwefel, aber auch Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff. Allerdings m¨¹sse deren Anteil unerwartet gross sein, so dass man die bisherigen Absch?tzungen zur Zusammensetzung des Mantels nochmals neu ¨¹berdenken sollte, schliessen die Forscher. 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 wie die Erde. Auf unserem Planeten erzeugen Str?mungen im fl¨¹ssigen Metall des ?usseren Kerns ein dauerhaftes Magnetfeld.

Der relativ grosse Kern schliesst zudem aus, dass es auf dem Mars einen unteren Mantel gibt wie auf der Erde, wo unter dem extrem hohen Druck in mehr als 700 Kilometer Tiefe ein Mineral namens Bridgmanit entstanden ist. Dieses existiert nicht der Erdoberfl?che, ist im Erdmantel insgesamt aber das h?ufigste Mineral. Die Messungen auf dem Mars zeigen vielmehr, dass der Marsmantel mineralogisch dem oberen Erdmantel gleicht, dessen Hauptanteil das Mineral Olivin ist. Aufgrund der seismischen Messungen auf dem Mars schliesst Khan: ?Mineralogisch gesehen ist der Marsmantel eine simplere Version des Erdmantels.? Die Seismologie enth¨¹llt aber auch Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung, was darauf hindeutet, dass Mars und Erde aus verschiedenen Bausteinen geformt wurden.

Verschiedene Wellenformen analysieren

Die neuen Resultate erzielten die Forschenden durch die Analysen verschiedener seismischen Wellen, die bei Beben entstehen. Bei einem Erdbeben wird Energie in Form von prim?ren sowie sekund?ren Wellen freigesetzt, die sich vom Herd in alle Richtungen ausbreiten. So auch bei Beben auf dem Mars. Die prim?ren P-Wellen schwingen in Ausbreitungsrichtung wie Schallwellen in der Luft. Die sekund?ren S-Wellen schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung und sind langsamer als P-Wellen. Misst man an einem bestimmten Ort die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der P- und S-Wellen, so kann man daraus die Entfernung des Bebenherds zu diesem Ort errechnen.

Das Seismometer der InSight-Mission, dessen Datenerfassungs- und Steuerungselektronik in der Arbeitsgruppe von Professor Domenico Giardini an der ETH Z¨¹rich entwickelt wurde, beobachtet seit Anfang 2019 Marsbeben. Die Daten werden via NASAs Deep Space Network und zwei Zentren in den USA und Frankreich an den Marsbebendienst der ETH Z¨¹rich geschickt und dort unter Leitung von John Clinton vom Schweizerischen Erdbebendienst einer ersten Analyse unterzogen. Bisher wurden ¨¹ber 1000 Marsbeben aufgezeichnet. ?Schon fr¨¹her konnten wir bei den InSight-Daten P- und S-Wellen sehen und wussten deshalb, wie weit weg von der Sonde diese Bebenherde auf dem Mars waren?, sagt Giardini, ?doch lange Zeit blieben wir auf diesem Erkenntnisstand stecken.?

St?hler erg?nzt: ?Um etwas ¨¹ber die innere Struktur von Planeten sagen zu k?nnen, brauchen wir mehr als nur P- und S-Wellen: Man ben?tigt weitere Wellenformen.? Damit meint er Bebenwellen, die an oder unterhalb der Oberfl?che oder am Kern reflektiert werden. Die Forschenden sprechen beispielsweise von PP- and PPP-Phasen, wenn die P-Welle einmal bzw. zweimal unterhalb der Oberfl?che reflektiert werden. Nun gelang es den Forschern erstmals, solche Phasen auf dem Mars zu beobachten.

Wie bei Apollo 11 auf dem Mond

Die Aufgabe erwies sich als besonders kompliziert, da die Seismogramme auf dem Mars viel Echo enthalten, das typischerweise entsteht, wenn seismische Wellen flache, por?se Gesteinsschichten durchqueren. Das erschwert die Analyse von seismischen Phasen, die das tiefe Innere des Planeten durchquert haben. ?hnliches beobachtete man auch auf dem Mond, nachdem die Apollo-11-Astronauten erstmals ein Seismometer aufgestellt hatten, weswegen die Detektion des Kerns dort 40 Jahre brauchte, eine Aufgabe, die auf dem Mars nun in 2 Jahren vollbracht wurde. Erde, Mond und Mars sind die einzigen Himmelsk?rper, deren Inneres bisher mithilfe von Seismologie untersucht wurde. ?Die auf dem Mars registrierten Beben haben eine geringe Magnitude, kleiner als 4, und w?ren auf der Erde aus dieser Entfernung kaum aufzusp¨¹ren, aber im Durchschnitt sind sie leicht st?rker, als diejenigen, welche die Seismometer der Apollo-Missionen auf dem Mond registriert haben?, sagt St?hler.

Bei ihren Beobachtungen des Mars konzentrierten sich die Forscher auf Beben, die in 1500 bis 4500 Kilometer Entfernung zur Insight-Sonde stattfanden. ?Je weiter weg die Beben sind, umso tiefer ins Innere gelangen die Wellen und umso mehr k?nnen wir dar¨¹ber aussagen?, erkl?rt Khan. In seiner Arbeit ¨¹ber den oberen Marsmantel untersuchte er zusammen mit einem internationalen Team die seismischen Phasen, die unterhalb der Oberfl?che reflektiert wurden, w?hrend Simon St?hler und weitere Kollegen an der ETH f¨¹r ihre Studie die seismischen Phasen hinzuf¨¹gten, die am Kern reflektiert werden, um noch tiefer ins Marsinnere schauen zu k?nnen. Auch an der dritten, jetzt publizierten Arbeit ¨¹ber die Marskruste waren die ETH-Forscher beteiligt.

?Wir bestimmen die Geschwindigkeit der Bebenwellen als Funktion der Tiefe?, erkl?rt Khan. Denn kennt man die Wellengeschwindigkeit der beobachteten Phasen in verschiedenen Tiefen, erm?glicht dies wiederum Aussagen ¨¹ber die chemische Zusammensetzung und die Temperatur im inneren des Planeten zu machen. ?ndert sich die Wellengeschwindigkeit pl?tzlich, entspricht diese Diskontinuit?t typischerweise einem ?bergang zu einer anderen chemischen Zusammensetzung. Eine derartige Diskontinuit?t zeigt sich bei den ?berg?ngen zwischen Kruste und Mantel sowie zwischen Mantel und Kern. Nun suchen die Forscher mithilfe der Seismologie auf dem Mars nach weiteren Diskontinuit?ten tief im Mantel und nach einem inneren Kern, wie er auf der Erde existiert. ?Die neuen Erkenntnisse ¨¹ber das Marsinnere werden uns helfen, mehr ¨¹ber die Entstehung und Entwicklung des Planeten zu erfahren?, schliesst Khan.