Neue Klasse von Marsbeben weist auf tägliche Meteoriteneinschläge hin

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der ETH Zürich und des Imperial College London hat anhand seismischer Daten erstmals die Zahl der Meteoriteneinschläge auf dem Mars geschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass jedes Jahr zwischen 280 und 360 Meteoriten auf den Planeten einschlagen und dabei Einschlagkrater mit einem Durchmesser von über 8 Metern bilden.

Geraldine Zenhaeusern, eine der Leiterinnen der Studie, kommentierte: „Diese Rate war etwa fünfmal höher als die Zahl, die allein anhand von Orbitalbildern geschätzt wurde. Zusammen mit den Orbitalbildern zeigen unsere Ergebnisse, dass die Seismologie ein hervorragendes Instrument zur Messung von Einschlagsraten ist.“

Seismisches „Zwitschern“ kündigt neue Erdbebenklasse an

Anhand der Daten des Seismometers, das während der NASA-Mission InSight zum Mars eingesetzt wurde, stellten die Forscher fest, dass sechs seismische Ereignisse, die in der unmittelbaren Umgebung der Station aufgezeichnet wurden, zuvor als Meteoriteneinschläge identifiziert worden waren. Dieser Prozess wurde durch die Aufzeichnung eines spezifischen akustischen atmosphärischen Signals ermöglicht, das erzeugt wird, wenn Meteoriten in die Marsatmosphäre eintreten.

Nun haben Zenhäusern von der ETH Zürich, Co-Leiterin Natalia Wójcicka vom Imperial College London und das Forschungsteam herausgefunden, dass diese 6 seismischen Ereignisse zu einer viel grösseren Gruppe von Marsbeben gehören, den sogenannten sehr hochfrequenten (VF) Ereignissen. Der Quellprozess dieser Beben erfolgt viel schneller als bei einem tektonischen Marsbeben ähnlicher Grösse. Während ein normales Beben der Magnitude 3 auf dem Mars mehrere Sekunden dauert, dauert ein durch einen Aufprall verursachtes Ereignis gleicher Grösse aufgrund der Hypergeschwindigkeit der Kollision nur 0,2 Sekunden oder weniger. Durch die Analyse der Marsbebenspektren identifizierte das Team 80 weitere Marsbeben, von denen man heute annimmt, dass sie durch Meteoroideneinschläge verursacht werden.

Ihre Forschungsreise begann im Dezember 2021, ein Jahr bevor angesammelter Staub auf den Solarmodulen die InSight-Mission beendete, als ein großes, vom Seismometer aufgezeichnetes Beben in der Ferne ein breitbandiges seismisches Signal über den gesamten Planeten aussendete. Fernerkundungen brachten das Beben mit einem 150 Meter breiten Krater in Verbindung. Zur Bestätigung suchte das InSight-Team in Zusammenarbeit mit der Context Camera (CTX) des Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) nach weiteren frischen Kratern, die mit dem Zeitpunkt und Ort der von InSight registrierten seismischen Ereignisse übereinstimmen würden.

Die Detektivarbeit der Teams zahlte sich aus und sie hatten Glück, einen zweiten frischen Krater mit einem Durchmesser von über 100 Metern zu finden. Kleinere Krater, die entstehen, wenn basketballgroße Meteoriten auf den Planeten treffen und die weitaus häufiger vorkommen sollten, blieben jedoch unentdeckt. Nun wird die Zahl der Meteoriteneinschläge anhand des Vorkommens dieser speziellen Hochfrequenzbeben neu geschätzt.

Erste Meteoriteneinschlagsrate anhand seismischer Daten

Jedes Jahr fallen etwa 17.000 Meteoriten auf die Erde, aber wenn sie nicht gerade über den Nachthimmel huschen, werden sie kaum bemerkt. Die meisten Meteore zerfallen beim Eintritt in die Erdatmosphäre, aber auf dem Mars ist die Atmosphäre 100-mal dünner, sodass die Oberfläche größeren und häufigeren Meteoriteneinschlägen ausgesetzt ist.

Bisher haben sich Planetenforscher auf Orbitalbilder und -modelle verlassen, die aus gut erhaltenen Meteoriteneinschlägen auf dem Mond abgeleitet wurden. Diese Schätzungen auf den Mars zu übertragen, erwies sich jedoch als schwierig. Die Wissenschaftler mussten die stärkere Gravitationskraft des Mars und seine Nähe zum Asteroidengürtel berücksichtigen, was bedeutet, dass mehr Meteoriten auf den roten Planeten einschlagen. Andererseits führen regelmäßige Sandstürme zu Kratern, die viel schlechter erhalten sind als die auf dem Mond und daher mit Orbitalbildern nicht so leicht zu erkennen sind. Wenn ein Meteorit auf den Planeten einschlägt, wandern die seismischen Wellen des Einschlags durch die Kruste und den Mantel und können von Seismometern erfasst werden.

Wójcicka erklärt: „Wir haben die Kraterdurchmesser anhand der Stärke aller VF-Marsbeben und ihrer Entfernungen geschätzt und daraus berechnet, wie viele Krater sich im Laufe eines Jahres um die InSight-Landesonde gebildet haben. Diese Daten haben wir dann extrapoliert, um die Anzahl der Einschläge abzuschätzen, die jährlich auf der gesamten Marsoberfläche stattfinden.“

Zenhäusern fügt hinzu: „Während neue Krater am besten auf flachem und staubigem Gelände zu sehen sind, wo sie wirklich auffallen, bedeckt diese Art von Gelände weniger als die Hälfte der Marsoberfläche. Das empfindliche InSight-Seismometer konnte jedoch jeden einzelnen Einschlag innerhalb der Reichweite des Landers hören.“

Einblicke in das Alter des Mars und zukünftige Missionen

Ähnlich wie die Linien und Falten in unserem Gesicht geben die Größe und Dichte von Kratern aus Meteoriteneinschlägen Aufschluss über das Alter verschiedener Regionen eines Planetenkörpers. Je weniger Krater, desto jünger ist die Region des Planeten. Die Venus beispielsweise hat fast keine sichtbaren Krater, da ihre Oberfläche ständig durch Vulkanismus umgestaltet wird, während Merkur und der Mond mit ihren alten Oberflächen stark von Kratern übersät sind. Der Mars liegt zwischen diesen Beispielen, wobei einige alte und einige junge Regionen anhand der Anzahl der Krater unterschieden werden können.

Neue Daten zeigen, dass sich fast jeden Tag irgendwo auf der Marsoberfläche ein 8 Meter großer Krater bildet und etwa einmal im Monat ein 30 Meter großer Krater. Da Hochgeschwindigkeitseinschläge Explosionszonen verursachen, deren Durchmesser leicht 100 Mal größer ist als der Krater, ist die Kenntnis der genauen Anzahl der Einschläge wichtig für die Sicherheit der Robotik, aber auch für zukünftige bemannte Missionen zum Roten Planeten.

„Dies ist die erste Arbeit dieser Art, die anhand seismologischer Daten ermittelt, wie oft Meteoriten auf der Oberfläche des Mars einschlagen – was ein Missionsziel erster Stufe der Mars-InSight-Mission war“, sagt Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich und Co-Leiter der NASA-Mission Mars InSight. „Solche Daten fließen in die Planung zukünftiger Missionen zum Mars ein.“

Laut Zenhäusern und Wójcicka umfassen die nächsten Schritte zur Weiterentwicklung dieser Forschung den Einsatz von Technologien des maschinellen Lernens, um Forschern dabei zu helfen, weitere Krater in Satellitenbildern zu identifizieren und seismische Ereignisse in den Daten zu erkennen.