Mars: Wissenschaftler bestimmen die Dicke der Erdkruste

Basierend auf seismischen Analysen der NASA-Mission Insight wurde nun erstmals die Struktur der Marskruste in absoluten Zahlen bestimmt. Unter der InSight-Landestelle ist die Kruste etwa 20 oder 39 Kilometer dick. Dies ist das Ergebnis eines internationalen Forschungsteams um die Geophysikerin Dr. Brigitte Knappmayr-Endron vom Institut für Geologie und Mineralogie der Universität zu Köln und Dr. Mark Banning vom Jet Propulsion Laboratory, Caltech. InSight steht für „interne Exploration mit seismischen Untersuchungen, Geodäsie und Wärmetransport“. Die Sonde der NASA, die am 26. November 2018 auf dem Mars landete, erforscht die Kruste, den Mantel und den Kern des Roten Planeten. Das Forschungspapier „Thickness and Structure of Mars‘ Crust from InSight Seismic Data“ erscheint in Wissenschaften Am 23. Juli.

In der Vergangenheit konnten nur relative Unterschiede in den Mächtigkeiten des Mars geschätzt werden, und es waren zusätzliche Annahmen erforderlich, um absolute Mächtigkeiten zu erhalten. Die resultierenden Absolutwerte zeigten somit je nach getroffenen Annahmen eine große Streuung. Die Seismologie ersetzt diese Annahmen nun durch eine direkte Messung am Landeplatz und kalibriert damit die Krustendicke des gesamten Planeten. Dieser unabhängige Datenpunkt ermöglicht auch die Schätzung der Krustendichte.

Was Seismologen messen können, sind im Grunde die Geschwindigkeitsschwankungen. Dies sind die Unterschiede in der Geschwindigkeit, mit der sich seismische Wellen in verschiedenen Materialien ausbreiten, sagte Knapmeyer-Endrun, Erstautor des Papiers. Ähnlich wie bei der Optik können wir Phänomene wie Reflexion und Brechung beobachten. Bei der Kruste profitieren wir auch davon, dass Kruste und Mantel aus unterschiedlichen Gesteinen bestehen, mit einem starken Geschwindigkeitssprung dazwischen. Anhand dieser Sprünge lässt sich die Schalenstruktur sehr genau bestimmen.

Die Daten zeigen, dass die obere Schicht am InSight-Landeplatz etwa 8 (+/- 2) Kilometer dick ist. Darunter zieht eine weitere Schicht etwa 20 (+/- 5) Kilometer nach. Es ist möglich, dass der Mantel unter dieser Schicht beginnt, was auf eine überraschend dünne Kruste hindeuten kann, selbst im Vergleich zur kontinentalen Kruste auf der Erde. Knapmeyer-Endrun erklärte, dass die Erdkruste unterhalb von Köln etwa 30 Kilometer dick sei. Es ist jedoch möglich, dass auf dem Mars eine dritte Krustenschicht existiert, die die Mächtigkeit der Marskruste unterhalb der Landestelle auf etwa 39 (+/- 8) Kilometer ausmacht. Dies wäre konsistenter mit früheren Ergebnissen, aber das Signal von dieser Schicht ist nicht notwendig, um mit den vorhandenen Daten abzugleichen. „In beiden Fällen können wir ausschließen, dass die gesamte Kruste aus dem gleichen Material besteht, das aus Oberflächenmessungen und von Marsmeteoriten bekannt ist“, sagte der Geophysiker. Stattdessen deuten die Daten darauf hin, dass die obere Schicht aus unerwartet porösem Gestein besteht. Außerdem kann es in größeren Tiefen andere Gesteinsarten geben als die basaltischen Gesteine, die an der Oberfläche erscheinen.

Eine einzige unabhängige Messung der Krustendicke am InSight-Landeplatz reicht aus, um die Kruste auf dem gesamten Planeten zu kartieren. Messungen von Satelliten, die den Mars umkreisen, liefern ein sehr klares Bild des Gravitationsfeldes des Planeten und ermöglichen es Wissenschaftlern, relative Unterschiede in der Krustendicke mit den Messungen am Landeplatz zu vergleichen. Die Kombination dieser Daten liefert eine genaue Karte.

Die Dicke der Marskruste ist besonders interessant, weil die Kruste in einem frühen Stadium der Bildung aus den Resten des geschmolzenen Mantels gebildet wurde. So können Daten zu seiner aktuellen Struktur auch Aufschluss darüber geben, wie sich der Mars entwickelt hat. Darüber hinaus hilft ein genaueres Verständnis der Entwicklung des Mars zu entschlüsseln, wie frühe Differenzierungsprozesse im Sonnensystem abliefen und warum sich Mars, Erde und andere Planeten heute unterscheiden.

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Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) verwaltet das InSight-Programm des NASA Science Mission Directorate. InSight ist Teil des Discovery-Programms der NASA, das vom Marshall Space Flight Center der Agentur in Huntsville, Alabama, verwaltet wird. Lockheed Martin Space aus Denver hat das InSight-Raumschiff einschließlich einer Kreuzfahrtbühne und eines Landers gebaut und unterstützt die Raumschiffoperationen der Mission.

Mehrere europäische Partner, darunter das französische Nationale Zentrum für Weltraumforschung (CNES) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), unterstützen die InSight-Mission. Das National Center for Space Studies hat der NASA das Instrument des Interior Structure Seismic Experiment (SEIS) mit dem IPGP Principal Investigator (Institut de Physique du Globe de Paris) zur Verfügung gestellt. Wichtige Beiträge zum Gemeinsamen Umweltinformationssystem kamen vom IPGP; Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Deutschland; Eidgenössische Technische Hochschule (ETH Zürich) in der Schweiz; Imperial College London und Oxford University in Großbritannien; und JPL. Das DLR lieferte das Heat Flow Instrument and Physical Characteristics Set (HP3) mit maßgeblichen Beiträgen des Weltraumforschungszentrums (CBK) der Polnischen Akademie der Wissenschaften und Astronika in Polen. Das Centro de Astrobiology Center (CAB) in Spanien lieferte Temperatur- und Windsensoren.