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Erste Ergebnisse

Bebender Marsboden

Von Sibylle Anderl
 - 11:15
Der Insight-Lander der Nasa kann mit einem Seismometer Aufschlüsse über das Innere des Mars liefern.zur Bildergalerie

Als am 26. November 2018 die Insight-Mission der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa auf dem Mars landete, war noch nicht abschließend klar gewesen, ob die mit vielen europäischen Instrumenten ausgestattete Sonde ihr Missionsziel tatsächlich würde erreichen können. Denn um mit Hilfe eines Seismometers, eines Gerätes also zur Registrierung von Bodenerschütterungen, wie geplant das bislang weitgehend unbekannte Innere des Mars erforschen zu können, mussten die Wissenschaftler davon ausgehen, dass der Mars tatsächlich gelegentlich bebt. Dass dies der Fall ist, hatten bestimmte mit Satelliten beobachtete Oberflächenstrukturen, sogenannte Verwerfungen, zwar nahegelegt. Ob aus diesen Verschiebungen von Blöcken der Marskruste gegeneinander aber tatsächlich nach wie vor Marsbeben resultieren und wie diese aussehen würden, das konnte man zu dem Zeitpunkt nicht mit Sicherheit sagen.

Nachdem die Missionswissenschaftler nun die Daten der ersten zehn Monate auswerten konnten, besteht allerdings kein Zweifel mehr. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass der Mars ein seismisch aktiver Planet ist“, fasste der wissenschaftliche Leiter der Mission, Bruce Banerdt vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) des amerikanischen California Institute of Technology, am vergangenen Donnerstag bei einer telefonischen Pressekonferenz das wohl wichtigste bisherige Zwischenergebnis zusammen. „Seine seismische Aktivität ist größer als die von den Apollo-Missionen gemessene Aktivität des Mondes, sie ist aber schwächer als die der Erde.“ Dieses Ergebnis sei für das Ziel der Erforschung des Mars-Inneren demnach überaus vielversprechend. Nun müsse man nur noch wie geplant weitere Daten sammeln.

In sechs verschiedenen Veröffentlichungen, die in den Zeitschriften „Nature Geoscience“ und „Nature Communications“ erschienen sind (Übersichtsartikel: doi 10.1038/sa41561-020-0544-y), tragen die Forscher der internationalen Kollaboration nun aber bereits zusammen, was sich aus dem ersten Drittel der im Laufe der gesamten Mission zu erwartenden Daten ableiten lässt. Dabei können sie nicht nur auf die Messwerte des Seismometers zurückgreifen. Zusätzlich ist der Lander mit verschiedenen Kameras, einem Instrument zur Messung des Magnetfeldes, einem Radiometer und Messgeräten für den Atmosphärendruck, die Temperatur und den Wind ausgestattet. Diese Experimente sollen zwar primär Umgebungsinformationen liefern, die für die korrekte Interpretation der Seismometerdaten benötigt werden. Die Resultate der Instrumente sind aber auch davon unabhängig von wissenschaftlichem Interesse.

Bis zum 30. September 2019 konnten die Forscher 174 seismische Ereignisse registrieren. Diese lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Der Großteil, rund 90 Prozent, sind schwache Beben hoher Frequenz, deren Ursprung bislang noch unklar ist, wenngleich sie sich in der Tiefe der Marskruste auszubreiten scheinen. Auf der Erde wären Beben dieser Art größtenteils nicht messbar, da sie im seismischen Rauschen – irdischen Störsignalen also – untergehen würden. Die restlichen 24 registrierten Marsbeben bei niedriger Frequenz waren dagegen stärker und stammten aus größerer Tiefe. Die spektralen Signaturen dieser Beben ähneln denjenigen, die wir von Erde und Mond kennen.

Unterirdische Magmakammern?

Auf der Grundlage theoretischer Modelle konnten zwei der stärksten Signale genutzt werden, um ihren Ursprungsort einzugrenzen. Demnach scheinen diese beiden Marsbeben aus der Nähe der Cerberus Fossae zu stammen, eines Gebiets, das Anzeichen vulkanischer Aktivität in der geologisch jüngeren Vergangenheit vor rund zehn Millionen Jahren zeigt. „Es könnte also sein, dass es unterirdische Magmakammern gibt, die abkühlen, sich daraufhin zusammenziehen und zu Deformationen der äußeren Marsschichten führen“, spekulierte Suzanne Smrekar vom JPL am Donnerstag. Dies sei beim derzeitigen Informationsstand aber nicht mehr als eine bloße Hypothese. Bruce Banerdt ergänzte, dass ganz grundsätzlich das langfristige Abkühlen des Mars seiner seismischen Aktivität zugrunde liege. Daraufhin komme es zu einer Kontraktion und zu starken Spannungen in den äußeren Schichten des Planeten. Es seien solche Verformungen der Kruste, die gemeint seien, wenn von Tektonik auf dem Mars die Rede sei – nicht zu verwechseln mit der Plattentektonik, die wir von der Erde kennen.

Obwohl die bisherige Ausbeute an Marsbeben der Insight-Mission als überaus zufriedenstellend bezeichnet werden kann, lässt sie an einer Stelle doch zu wünschen übrig: Bislang wurden keine wirklich starken Beben registriert, die notwendig wären, um Rückschlüsse auf das tiefe Innere des Mars zu ziehen. „Noch haben wir die Hoffnung nicht aufgegeben, diese großen Beben zu sehen“, gab Banerdt zu bedenken. Es sei schließlich zu erwarten, dass starke Beben sehr viel seltener auftreten. Wenn sie aber tatsächlich ganz ausblieben, wäre dies eine Enttäuschung.

Plan B zur Erforschung des tiefen Inneren

Dann könne man aber immer noch Informationen über das Zentrum des Mars anhand eines komplementären Messinstruments ableiten: Insight trägt ein sehr empfindliches Positionsmessgerät, genannt „Rise“, das winzige Störungen der Ausrichtung der Rotationsachse des Mars nachweisen soll. Diese Störungen liefern Hinweise auf die Größe und Dichte des Kerns und auf die innere Struktur des Planeten. Noch konnte das Instrument zwar nicht genügend Daten sammeln, die Datenqualität von Rise sei aber bislang sehr gut.

Als Erklärung dafür, dass es in Hinsicht auf die Interpretation der vorliegenden Messergebnisse des Seismometers noch so viele Fragezeichen gibt, führten die Wissenschaftler eine historische Analogie an: Sie befänden sich aktuell in einer ähnlichen Situation wie die Erd-Seismologen zu Beginn des vergangenen Jahrhunderts. Es gebe viele Daten, viele verschiedene Phänomene, die nun erst einmal geordnet werden müssen. „Seismologie ist nichts, was innerhalb kürzester Zeit passiert. Wir beginnen erst, einen Planeten zu entdecken, den wir jenseits einer Tiefe von einigen Metern bislang nur auf theoretischer Basis kannten“, gab Philippe Lognonné von der Université de Paris zu bedenken.

Staubteufel als Quelle von Beben

Etwas konkretere Ergebnisse lieferte das Seismometer aber bereits für den direkten Untergrund der Sonde. Dafür nutzten die Wissenschaftler keine Marsbeben, sondern Luftwirbel. Zehntausend dieser Wirbel, deren stärkere Vertreter als staubige „dust devils“ oder „Kleintromben“ auch von der Erde bekannt sind, konnte die Insight-Wetterstation bislang registrieren. Im Zentrum der Wirbel ist der Luftdruck geringer, die Wirkung dieser Druckänderung auf die Marsoberfläche wird vom Seismometer registriert. Die Spuren dieser Atmosphärenphänomene auf dem Marsboden sind auf Satellitenaufnahmen als dunkle Spuren sichtbar. Indem die Verwirbelungen auf diese Weise lokalisiert und anhand von Wind- und Druckdaten der Insight-Instrumente charakterisiert werden können, sind sie ideal geeignet, um aus der Reaktion des Seismometers auf die Steifigkeit der Marskruste unterhalb des Landers zu schließen. Dort befindet sich offenbar eine rund drei Meter dicke poröse Regolith-Schicht geringer Steife oberhalb sehr viel festeren Gesteins. Für diese Analyse nutzten die Wissenschaftler nicht nur die Auswirkungen der Luftwirbel, sondern auch die von Hammerschlägen der Sonde selbst.

Mit diesen Schlägen sollte ein weiteres Experiment der Insight-Mission, der sogenannte „Maulwurf“, in den Marsboden getrieben werden. Dieses Instrument „HP3“, das am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurde, soll den Wärmefluss des Mars in mehreren Meter Tiefe messen, es kämpft aber nach wie vor mit der Bodenbeschaffenheit der Landestelle: Aufgrund zu geringer Reibung bewegt sich der Maulwurf immer wieder zurück nach oben. Zuletzt war versucht worden, mit dem robotischen Arm des Landers zunächst seitlich und zuletzt über die Rückenkappe der Bodensonde so Druck auszuüben, dass die Rückwärtsbewegung verhindert werden kann. Der Ausgang ist noch offen. In den bisherigen Veröffentlichungen waren entsprechend noch keine Ergebnisse dieses Instruments berücksichtigt.

Eine Überraschung lieferte dagegen das Magnetometer: Die erste Messung des Magnetfelds auf der Marsoberfläche offenbarte ein ständiges Feld, das zehnmal so stark ist wie auf der Grundlage von Satellitenbeobachtungen erwartet und offenbar durch magnetisiertes Gestein hervorgerufen wird. Dazu gibt es eine schwächere zeitabhängige Komponente, die auf elektrische Ströme in der Atmosphäre zurückzuführen ist. Eines scheint auf der Grundlage der bisherigen Daten klar: Die Arbeit, geeignete Interpretationen für die neuen Messungen zu finden, hat gerade erst angefangen.

Quelle: F.A.Z.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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