Geologen und Seismologen haben erstmals im Detail das Innere eines Planeten, der nicht die Erde ist, vor Ort vermessen. Das Ziel ist eine naturgetreue Karte des Mars-Inneren.

Wie der Mars von innen aussieht: Kern ist dünner, Mantel dicker als erwartet. - © Science / Chris Bickel
Wie der Mars von innen aussieht: Kern ist dünner, Mantel dicker als erwartet. - © Science / Chris Bickel

Das Team unter der Federführung der Universität Köln und des Jet Propulsion Laboratory der US-Weltraumbehörde Nasa hat seismische Messdaten der Mission "Insight" unter die Lupe genommen. Der stationäre Lander im Discovery-Programm der Nasa wurde Ende 2018 auf dem Roten Planeten abgesetzt. Mit einem Seismometer und einer Wärmeflusssonde soll er die frühgeologische Entwicklung unseres äußeren Nachbarplaneten erforschen und damit das Verständnis der Entstehung der erdähnlichen Planeten des Sonnensystems, also Merkur, Venus, Erde und Mars und des Erdmonds verbessern.

Erdrutsch bei einem der beiden größten Beben, die das Mars-Labor "Insight" bisher registriert hat. - © nasa / JPL-Caltech / University of Arizona
Erdrutsch bei einem der beiden größten Beben, die das Mars-Labor "Insight" bisher registriert hat. - © nasa / JPL-Caltech / University of Arizona

"Das Innere eines Planeten verrät viel über seinen Ursprung und seine Evolution", schreiben die Geologin Sanne Cottaar und die Seismologin Pauka Koelemeijer in einem Kommentar der insgesamt drei Studien im Fachjournal "Science": "Kenntnisse über die tieferen Schichten geben Aufschluss, wie ein Himmelskörper gewachsen ist, ob sein Kern wie die Erde ein Magnetfeld bilden kann und welche Ursprünge tektonische oder vulkanische Aktivität haben".

Seismische Wellen

Etwa ist die Erdkruste, also die äußerste, feste Schale unseres Heimatplaneten, das Endprodukt eines Prozesses, der weniger dichte Mineralien im Laufe der Erdgeschichte zur Oberfläche aufsteigen ließ. Ihre Dicke von durchschnittlich 35 Kilometern macht sie zur dünnsten Schale der Erde: Die Zusammensetzung der ozeanischen Erdkruste entspricht mit Sauerstoff, Silizium und Magnesium jener von Basalt, während das kontinentale Krustengestein Granit und Gneis ähnelt.

Über die Mars-Kruste war bisher nur bekannt, dass sie in verschiedenen Gebieten des Roten Planeten unterschiedlich dick sein müsse. Das Messlabor "Insight" lieferte nun aber konkrete Messdaten zu seinem Landeplatz. Genau dort ist die Kruste nämlich zwischen 20 und 39 Kilometer dick, wobei noch zu erforschen sei, ob sie aus einer, zwei oder drei Schichten besteht, sagt Studienleiterin Brigitte Knapmeyer-Endrun vom Institut für Geologie und Mineralogie der Uni Köln.

"Insight" (auf Deutsch: Einsicht) registriert seit Anfang 2019 Marsbeben und andere tektonische Ereignisse unter der Mars-Oberfläche. "Die Seismologie misst die unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen sich seismische Wellen in Materialien ausbreiten", erklärt Knapmeyer-Endrun: "Ähnlich wie in der Optik, können wir auch hier Phänomene wie Reflexion oder Brechung beobachten."

Unterschiedliche Gesteinszusammensetzungen in der Mars-Kruste würden Geschwindigkeitssprünge verursachen. "Wir gehen nicht davon aus, dass die Kruste eine einheitliche Zusammensetzung aufweist, sondern wir nehmen an, dass die obere Schicht aus einem überraschend porösen Gestein besteht, währen sich weiter unten andere Mineralien befinden", so die Geologin. Aus den vorhandenen Daten will das Forschungsteam das Gesamtbild ableiten, etwa, indem sie jene von der Landestelle mit Satellitendaten zum Gravitationsfeld des Roten Planeten kombinieren. Aus den Berechnungen schließt Knapmeyer-Endrun, dass die Marskruste zwischen 24 und 72 Kilometer dick ist.

Weiters hat Amir Khan, Senior Scientist am Physik-Institut der Universität Zürich und am Institut für Geophysik der ETH Zürich, insgesamt acht seismische Wellen von Beben ausgewertet und leitet daraus ab, dass der Marsmantel rund 800 Kilometer dick sein müsse. Khan geht davon aus, dass die Marskruste radioaktive Elemente enthält, die Hitze erzeugen, weswegen die oberen Schichten des Roten Planeten wärmer sein könnten als sein Kern.

Der Geophysiker Simon Stähler wiederum hat mit seinem Team an der ETH Zürich schwache seismische Signale an der Grenze zwischen Mantel und Kern ausgewertet. Demzufolge hat der flüssige Marskern aus Eisen und Nickel einen Radius von 1830 Kilometern, wodurch er im Planetenradius bis zur Mitte zwischen Zentrum und Oberfläche reicht. Stähler zufolge besteht er aus nur einer Schichte, anstatt wie die Erde aus zwei, und ist weniger dicht als angenommen.

"Die Arbeiten tragen auf entscheidende Weise zu unserem Verständnis bei, wie sich der Mars vor Milliarden von Jahren formiert und im Laufe der Zeit weiterentwickelt hat", so Cottaar und Koelemeijer.

Bodenproben zur Erde

Anders, aber ebenso interessant, verspricht die Arbeit des Nasa-Rovers "Perseverance" (Durchhaltevermögen) zu werden. Das Fahrzeug bereitet sich derzeit auf die Entnahme einer Probe von Mars-Gestein vor, die zurück zur Erde geschickt werden soll. Der Prozess werde in den kommenden zwei Wochen beginnen, teilte die US-Raumfahrtbehörde am Donnerstag mit. "Wir stehen an der Schwelle zu einer neuen Ära der Planetenforschung und Entdeckung", sagte Nasa-Manager Thomas Zurbuchen. Insgesamt werde der Prozess etwa elf Tage dauern. Wann und wie die Probe genau zur Erde geschickt werden soll, wird derzeit noch geplant.