Oberflächenwellen helfen, das Innere des Mars zu kartieren

Forscher haben zum ersten Mal beobachtet, dass sich seismische Wellen entlang der Oberfläche eines anderen Planeten als der Erde ausbreiten. Die Marsbeben, die von zwei großen Meteoriten verursacht wurden, die den Mars trafen, wurden vom InSight-Lander der NASA aufgezeichnet und an der ETH Zürich in Zusammenarbeit mit dem InSight Science Team, zu dem auch Forscher der University of Maryland gehören, analysiert.

Veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaft Am 27. Oktober 2022 liefert das Papier des Teams neue Einblicke in die Struktur der Marskruste und bringt Wissenschaftler näher an das Wissen, wie sich der Planet im Laufe der Zeit gebildet und entwickelt hat.

„Dies ist das erste Mal, dass seismische Oberflächenwellen auf einem anderen Planeten als der Erde beobachtet wurden. Nicht einmal die Apollo-Missionen zum Mond haben es geschafft“, sagte der Hauptautor der Studie, Doyeon Kim. Kim ist derzeit Visiting Assistant Professor am UMD Department of Geology und Senior Assistant am ETH Institute of Geophysics.

Nachdem fast drei Jahre lang nur Körperwellen (seismische Wellen, die sich durch den Körper eines Planeten ausbreiten) auf dem Mars nachgewiesen wurden, beobachtete das InSight-Team Ende Dezember 2021 schließlich Oberflächenwellen (seismische Wellen, die sich entlang der Oberfläche eines Planeten ausbreiten), als zwei Meteoriten kollidierten mit dem roten Planeten. Atypische Bebenmesswerte ließen die Forscher vermuten, dass sich die Einschlagsquellen in der Nähe der Oberfläche befanden, also verglichen sie die Daten mit Informationen des Mars Reconnaissance Orbiter. Vom Orbiter aufgenommene Bilder bestätigten, dass beide Meteoriten Hypozentren (den Ausgangspunkt für ein Beben) auf der Marsoberfläche hatten.

„Davor basierte unser gesamtes Wissen über die Marskruste auf dem, was sich direkt unter dem InSight-Lander befand“, sagte Vedran Lekic, außerordentlicher Professor für Geologie der UMD, ein Mitautor der Abhandlung. „Aber der Mars ist ein großer Planet – wir wussten nicht, ob die Kruste an anderen Orten auf dem Planeten anders war. Mit diesen Oberflächenwellen konnten wir endlich ein besseres Verständnis der Kruste entlang eines großen Marsabschnitts erlangen.“

Die Kruste eines Planeten oder seine äußerste feste Hülle liefert wichtige Hinweise darauf, wie sich dieser Planet im Laufe der Zeit gebildet und entwickelt hat. Die meisten planetaren Krusten, einschließlich der von Erde und Mars, bildeten sich durch frühe dynamische Prozesse im Mantel und wurden später durch andere Ereignisse wie Vulkanismus, Sedimentation, Erosion und Einschlagskraterbildung modifiziert. Folglich können Krusten es Forschern ermöglichen, die Bedingungen der Landformung eines Planeten vor Milliarden von Jahren besser zu verstehen.

Um mehr über die Marskruste zu erfahren, analysierte das Forschungsteam die Geschwindigkeit von Oberflächenwellen, die von den beiden Meteoriteneinschlägen stammen. Dadurch konnten sie die Beziehung zwischen Oberflächenwellengeschwindigkeit, Frequenz und Tiefe nutzen, um die durchschnittlichen Eigenschaften der Kruste 3 bis 18,6 Meilen unter der Marsoberfläche abzuschätzen.

Im Durchschnitt variierte die Marskruste zwischen dem Seismometer von InSight und den beiden Meteoriteneinschlagstellen nicht stark mit der Tiefe und hatte eine höhere seismische Geschwindigkeit als zuvor direkt unter dem Lander beobachtet wurde. Die höheren Geschwindigkeiten deuten entweder auf Zusammensetzungsunterschiede oder eine verringerte Porosität in Bereichen hin, die von den Oberflächenwellen durchquert werden.

„Die Zusammensetzung der Kruste bestimmt einen Teil der Dichte, aber auch Faktoren wie die Porosität; wenn Sie viele Löcher in der Kruste haben, kann dies auch die Dichte des Materials verringern“, erklärte Nicholas Schmerr, außerordentlicher Professor für Geologie der UMD , ein weiterer Co-Autor des Papiers. „Ein Vulkan mit all seinen Einbrüchen und Magma, das durch die Kruste darunter aufsteigt, hätte auch die Krustendichte und -zusammensetzung in dieser Region verändert. Wenn wir weiter nach Norden auf den Mars schauen, gibt es wahrscheinlich etwas unterirdisches Eis in der Kruste unter dem Einschlag Standort, der weniger porös ist und sich stark von dem unterscheidet, was wir unter dem InSight-Lander sehen.“

Die Ergebnisse des Teams könnten auch Antworten auf ein jahrhundertealtes Rätsel liefern: die Dichotomie der Marskruste.

„Der Mars hat ein sehr einzigartiges Merkmal, nämlich den sehr scharfen Kontrast zwischen seiner nördlichen und südlichen Hemisphäre“, bemerkte Lekic. „Der südliche Teil ist wirklich alt, hat eine hohe Topografie und ist sehr stark mit Kratern übersät. Die nördliche Region hingegen ist vulkanisch, sehr niedrig gelegen und hat vergleichsweise wenige Krater darüber konnten wir bisher nur spekulieren.“

Eine populäre Theorie dahinter ist, dass die Krusten im nördlichen Tiefland und im südlichen Hochland aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass ihre ersten Ergebnisse diese Idee zu widerlegen scheinen und sogar darauf hindeuten, dass die Krustenstrukturen in bestimmten Tiefen überraschend ähnlich sein könnten.

Das Team hofft, dass seine Forschung den Forschern weiterhin helfen wird, ähnliche Rätsel zu untersuchen und im Laufe der Erforschung bessere Modelle des Mars zu erstellen.