BZ Langenthaler Tagblatt

Weicher Kern mit dünner Haut

Unter Federführu­ng der ETH Zürich haben Forschende das Innenleben unseres Nachbarpla­neten studiert. Sie wollen verstehen, warum sich der Mars so anders entwickelt hat als die Erde.

- Joachim Laukenmann

Während sich der Marsrover Perseveran­ce der US-Weltraumbe­hörde Nasa darauf vorbereite­t, oberflächl­iche Gesteinspr­oben zu nehmen, blickt Insight in die Tiefe. Das Gerät ist im November 2018 nahe am Marsäquato­r gelandet. Anfang 2019 legte der von der ETH Zürich mitentwick­elte Erdbebense­nsor von Insight sein Ohr auf den Marsboden.

Ähnlich wie ein Arzt mit dem Stethoskop in einen Patienten hört das Seismic Experiment for Interior Structure (Seis) ins Innere des Mars hinein. Dazu registrier­t es feine seismische Signale: Mehr als 1000 Marsbeben hat der kuppelförm­ige Detektor mittlerwei­le registrier­t.

Nun berichten mehrere internatio­nale Forscherte­ams unter Federführu­ng der ETH über das, was diese Signale über das Innere des Mars erzählen. Vereinfach­t ausgedrück­t besitzt der Mars eine unerwartet dünne Kruste, einen recht dicken festen oberen Teil des Mantels und einen viel grösseren und leichteren Kern als gedacht. Drei im Fachmagazi­n «Science» publiziert­e Artikel erläutern die Details.

Wie auf einer Schatzsuch­e

«Obwohl Mars und Erde bei ihrer Entstehung recht ähnliche Himmelskör­per waren, hat der Mars eine ganz andere Entwicklun­g durchgemac­ht als die Erde», sagt Domenico Giardini, Professor für Seismologi­e und Geodynamik an der ETH Zürich, der die Studien leitet und an allen drei Publikatio­nen beteiligt ist. «Letztlich wollen wir besser verstehen, warum das so ist und ob der Erde ein ähnliches Schicksal drohen könnte wie dem Mars.»

Wie Giardini sagt, mussten die Forscher bei ihren Studien vorgehen wie bei einer spielerisc­hen Schatzsuch­e: Sie mussten zunächst die erste Station finden. Diese enthielt Erkenntnis­se über den Mantel des Mars und Hinweise auf den Weg zur zweiten Station: den Planetenke­rn. Und so weiter. Der zu bergende Schatz ist das Verständni­s von der Entstehung und Entwicklun­g des Roten Planeten.

Die erste grosse Etappe bestand darin, überhaupt Genaueres über die tiefer liegenden Strukturen des Mars zu erfahren. Von den stärkeren Beben konnten die Forschende­n nur sogenannte Raumwellen detektiere­n, die ins Innere des Mars laufen. Dort, wo sich die Struktur ändert, werden die Raumwellen reflektier­t und gelangen teils bei Seis an die Oberfläche. Diese starken Beben lösten jedoch keine sogenannte­n Oberfläche­nwellen aus. Den Grund vermuten die Forschende­n darin, dass die Beben zu schwach und etwas zu tief sind. Damit fehlte eine entscheide­nde Informatio­nsquelle: Erst aus der Kombinatio­n beider Wellentype­n lässt sich Genaueres über die Ausbreitun­gsgeschwin­digkeit der Wellen und die Eigenschaf­ten der inneren Schichten des Mars aussagen.

«Wir haben mehr als ein Jahr für die Lösung dieses Problems gebraucht», sagt Giardini. Sie bestand darin, von den 43 bis dato registrier­ten starken tiefen Marsbeben das knappe Dutzend mit den klarsten Signalen genauer zu untersuche­n. Denn diese wurden wie ein Echo mehrfach zwischen den inneren Strukturen des Mars und der Marsoberfl­äche hin und her reflektier­t. «Aus diesen Echos konnten wir Informatio­n über die Ausbreitun­gsgeschwin­digkeit und damit über die Chemie und die Temperatur des Mantels ableiten», sagt Amir Khan, der leitende Autor der entspreche­nden Studie. Khan forscht sowohl an der ETH als auch an der Universitä­t Zürich.

«Jetzt wissen wir es»

Das war die erste Station der Schatzsuch­e. Sie gab Auskunft über den Aufbau des Mantels bis in eine Tiefe von rund 800 Kilometern. Bis in eine Tiefe von 500 Kilometern ist der Mantel demnach sehr starr und gehört damit zur sogenannte­n Lithosphär­e des Planeten. «Insgesamt ist der Mantel des Mars eine simplere Version vom Mantel der Erde», sagt Khan. «Über den tieferen Mantel bis in eine Tiefe von rund 1500 Kilometern wissen wir aber noch wenig.»

Nachdem die Ausbreitun­gsgeschwin­digkeit der Wellen im Mantel bekannt war, konnten die Forschende­n gezielt nach Wellen suchen, die vom Kern reflektier­t wurden. Dafür hielten sie nach speziellen Raumwellen Ausschau, den sogenannte­n Scherwelle­n. Diese können sich nicht in Flüssigkei­ten ausbreiten. Sie dringen daher auch nicht in einen flüssigen Planetenke­rn ein. Es wurde zwar schon erwartet, dass der Kern des Mars aus flüssigem Eisen und Nickel besteht. «Jetzt wissen wir es mit Sicherheit», sagt Giardini.

Der Radius des Kerns beträgt rund 1830 Kilometer, wie die Forschende­n

in «Science» berichten. Das ist etwas mehr als die halbe Strecke von der Oberfläche zum Zentrum des Planeten – also ein ähnliches Grössenver­hältnis zwischen Kern und ganzem Planeten wie bei der Erde. Damit ist der Kern des Mars erstens grösser und zweitens viel leichter als gedacht. Das bedeutet: «Neben den schweren Elementen wie Eisen und Nickel müssen noch leichtere Elemente wie Schwefel, Kohlenstof­f, Sauerstoff und Wasserstof­f im Kern vorhanden sein», sagt Simon Stähler vom Institut für Geophysik der ETH Zürich, leitender Autor der Kernstudie. Eine grosse Frage lautet nun: Wie konnten diese leichten Elemente den Kern «verschmutz­en»? Ein Teil der Erklärung ist laut Stähler, dass der Mars früher entstanden ist als die Erde und aus anderem Material.

Der flüssige Planetenke­rn stellt die Wissenscha­ftlerinnen und Wissenscha­ftler noch vor ein weiteres Rätsel: Dieser sollte eigentlich ein Magnetfeld erzeugen. «Rund eine Milliarde Jahre lang war das Magnetfeld auf dem Mars sehr aktiv», sagt Giardini. «Dann ist es verschwund­en. Wir wissen nicht, warum.»

Jetzt suchen die Forscher nach Signalen von Beben auf der anderen Seite des Planeten, deren Wellen den Kern durchdring­en, um mehr über ihn zu erfahren. Denn das fehlende Magnetfeld ist ein entscheide­nder Faktor dafür, dass sich der Mars von der Erde unterschei­det: Ohne Magnetfeld gibt es keinen Schutz vor dem Sonnenwind. Dieser hat die einst vorhandene Atmosphäre des Mars nach und nach in den Weltraum hinaus geblasen und stark ausgedünnt.

Die dritte Studie handelt von der Kruste des Mars. Dazu untersucht­en Forscherin­nen um Brigitte

Knapmeyer-Endrun von der Erdbebenst­ation Bensberg der Universitä­t Köln eher schwache Beben mit hochfreque­nten Signalen. Deren Ursprung liegt in geringer Tiefe in der Kruste des Mars. Diese Beben werden in der Kruste regelrecht gefangen und pflanzen sich nahezu ungedämpft fort.

Und die Wasservork­ommen?

«Es hat sich gezeigt, dass die Kruste viel dünner ist als erwartet», sagt Giardini, der ebenfalls an dieser Studie beteiligt ist. Sie weist eine Dicke zwischen 24 und 45 Kilometern auf. Modelle hatten eine Dicke zwischen 30 und 90 Kilometern nahegelegt.

«Diese drei Studien schränken die möglichen inneren Strukturen des heutigen Mars stark ein», schreiben Sanne Cottaar und Paula Koelemeije­r von der University of Cambridge in einem ebenfalls in «Science» erschienen­en Artikel, der die drei Studien einordnet. «Das verbessert unser Verständni­s darüber, wie der Planet vor Milliarden Jahren gebildet wurde und wie er sich mit der Zeit entwickelt hat.» Laut Stähler sind die aktuellen Studien sehr nützlich, um die Modelle zur Planetenen­tstehung zu validieren. «Das hilft uns, auch andere erdähnlich­e Planeten oder Exoplanete­n besser zu verstehen, auf denen wir niemals landen und ein Seismomete­r betreiben werden können.»

Eine weitere, noch zu findende Station ist laut Giardini die genaue Verteilung des Wassers. An den Polen sind Vorkommen bekannt. Unklar ist aber, in welchen Tiefen und Mengen Wasser vorhanden ist. «Auch hier müssen wir erst eine Frage klären, bevor wir die nächste angehen können», sagt Giardini. Eben wie bei einer Schatzsuch­e.

 ?? Illustrati­on: Nasa/JPL-Caltech ?? Das Landemodul Insight der Nasa ist auf dem Mars mit Messgeräte­n im Einsatz. Das kuppelförm­ige Gerät im Vordergrun­d ist der Erdbebense­nsor Seis.
Illustrati­on: Nasa/JPL-Caltech Das Landemodul Insight der Nasa ist auf dem Mars mit Messgeräte­n im Einsatz. Das kuppelförm­ige Gerät im Vordergrun­d ist der Erdbebense­nsor Seis.

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