Quelle: ETH Zürich 28. Juni 2024.

28. Juni 2024 – Einem internationalen Team von Forschenden unter gemeinsamer Leitung der ETH Zürich und des Imperial College London ist anhand von seismischen Daten erstmals eine Schätzung der globalen Meteoriteneinschläge auf dem Mars gelungen. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass jedes Jahr zwischen 280 und 360 Meteoriten auf dem Planeten einschlagen und zur Bildung von Kratern mit einem Durchmesser von über 8 Metern führen. Géraldine Zenhäusern von der ETH Zürich, eine der Leiterinnen der Studie, kommentiert: «Die ermittelte Rate ist etwa fünfmal höher als die Zahl der Einschläge, die allein anhand von bildgebenden Verfahren geschätzt wurde. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Seismologie in Kombination mit der Analyse von Weltraumbildern ein hervorragendes Instrument zur Messung der Einschlagsraten ist.»

Seismisches «Pfeifen» als Hinweis auf neue Erdbebenart
Ermöglicht wurde dies durch die Aufzeichnung eines kurzen Pfeifens, das Meteoriten bei ihrem Eintritt in die Marsatmosphäre verursachen. Die Forschenden werteten Daten des Seismometers aus, das von der InSight-Mission der NASA eingesetzt wurde. Sie stellten fest, dass sechs seismische Ereignisse, die in der Nähe der Sonde aufgezeichnet wurden, zuvor als Meteoriteneinschläge identifiziert worden waren (Garcia et al., 2023). Zenhäusern von der ETH Zürich, ihre Co-Leiterin Natalia Wójcicka vom Imperial College London und das Forschungsteam fanden nun heraus, dass diese sechs seismischen Ereignisse Teil einer viel grösseren Gruppe von Marsbeben waren, die als Ereignisse mit sehr hoher Frequenz (very high frequency, VF) bezeichnet werden. Solche Beben entstehen mit viel grösserer Geschwindigkeit als tektonische Marsbeben vergleichbarer Stärke. So braucht es für ein normales Beben der Stärke 3 auf dem Mars mehrere Sekunden, bei einem durch einen Hochgeschwindigkeitseinschlag verursachten Ereignis derselben Stärke jedoch nur 0,2 Sekunden oder weniger. Durch die Analyse der Spektren von Marsbeben wurden weitere 80 Beben identifiziert, als deren Ursache nun Einschläge von Meteoroiden angenommen werden.

Seismischen Daten leiten erstmals Einschlagsrate von Meteoriten her
Jedes Jahr fallen rund 17 000 Meteoriten auf die Erde. Solange ihr Schweif nicht am Nachthimmel zu sehen ist, werden sie nur selten bemerkt. Die meisten Meteore zerfallen, wenn sie in die Erdatmosphäre eintreten. Auf dem Mars ist die Atmosphäre jedoch hundertmal dünner. Dadurch ist die Oberfläche des Planeten grösseren und häufigeren Meteoriteneinschlägen ausgesetzt.

Bisher verliessen sich Planetenforschende auf Weltraumbilder und Modelle, die aus gut erhaltenen, durch Meteoriteneinschläge verursachten Kratern auf dem Mond abgeleitet wurden. Diese Schätzungen konnten aber nicht ohne Weiteres auf den Mars übertragen werden. So müssen Forschende die stärkere Anziehungskraft des Mars und die Nähe des Roten Planeten zum Asteroidengürtel berücksichtigen. Beide Faktoren führen dazu, dass mehr Meteoriten auf dem Mars einschlagen. Aufgrund regelmässiger Sandstürme sind die Krater auf dem Planeten zudem weniger gut erhalten als auf dem Mond und können daher durch Weltraumbilder nicht so leicht entdeckt werden. Beim Einschlag eines Meteoriten auf dem Mars breiten sich die durch die Kollision verursachten seismischen Wellen durch die Kruste und den Mantel aus und können von Seismometern aufgezeichnet werden. Dadurch bietet sich eine vollkommen neue Möglichkeit, die Einschlagsrate auf dem Mars zu messen.

Wójcicka erklärt: «Wir haben die Durchmesser der Krater anhand der Stärke und Entfernung der Hochfrequenz-Marsbeben geschätzt. Anhand dieser Schätzungen haben wir dann berechnet, wie viele Krater sich im Laufe eines Jahres um die InSight-Sonde gebildet hatten. Diese Daten haben wir extrapoliert, um die Anzahl der jährlichen Einschläge auf der gesamten Marsoberfläche zu schätzen.»

Zenhäusern fügt hinzu: «Neue Krater sind auf flachem, staubigem Gelände am besten zu sehen, denn dort fallen sie besonders auf. Allerdings ist diese Art von Gelände nur auf weniger als der Hälfte der Marsoberfläche zu finden. Das empfindliche Seismometer der InSight-Mission konnte jedoch jeden einzelnen Einschlag innerhalb der Reichweite der Sonde aufzeichnen.»

Erkenntnisse über das Alter des Roten Planeten und zukünftige Mars-Missionen
Ähnlich wie Linien und Falten in einem Gesicht geben Grösse und Dichte der durch Meteoriteneinschläge entstandenen Krater Aufschluss über das Alter verschiedener Regionen eines Planeten. Das heisst: Je weniger Krater, desto jünger ist die betreffende Region. So weist Venus zum Beispiel fast keine sichtbaren Krater auf, weil der Planet durch eine dicke Atmosphäre geschützt ist und seine Oberfläche durch Vulkanismus laufend neu gebildet wird. Die uralten Oberflächen des Planeten Merkur und des Mondes sind hingegen von Kratern übersät. Der Planet Mars liegt irgendwo dazwischen, denn dort gibt es einige junge und einige alte Regionen, die sich anhand der Zahl der Krater unterscheiden lassen.

Aus den neuen Daten geht hervor, dass auf der Oberfläche des Mars fast jeden Tag ein neuer Krater von 8 Metern Durchmesser entsteht, ein Krater mit 30 Metern Durchmesser etwa einmal im Monat. Da durch Hochgeschwindigkeitseinschläge Explosionszonen entstehen, deren Durchmesser oft mindestens hundertmal so gross ist wie der Krater, ist es für die Sicherheit von Missionen – jetzt noch mit Robotern, künftig auch mit Menschen – wichtig, die genaue Zahl der Einschläge zu kennen.

«Diese Arbeit ermittelt als erste ihrer Art anhand von seismologischen Daten, wie häufig Meteoriten auf der Oberfläche des Mars einschlagen, was eines der Ziele der ersten Stufe der Mars-Mission InSight war», kommentiert Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich und Co-Principal Investigator der InSight-Mission der Nasa . «Diese Daten werden in die Planung zukünftiger Missionen zum Mars einfliessen.»

Um diese Forschungen voranzutreiben, ist nach Auskunft von Zenhäusern und Wójcicka geplant, bei den nächsten Schritten Technologien des maschinellen Lernens einzusetzen. Sie sollen die Forschenden dabei unterstützen, weitere Krater auf Satellitenbildern sowie seismische Ereignisse in den Daten zu identifizieren.

Originalpublikation:
Zenhäusern, G, Wójcicka, N, Stähler, SC, Collins, GS, Daubar, IJ, Knapmeyer, M, Ceylan, S, Clinton, JF, Giardini, D: An estimate of the impact rate on Mars from statistics of very-high-frequency marsquakes. Nature Astronomy, 2024, doi.org/10.1038/s41550-024-02301-z
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02301-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02301-z.pdf

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• InSight auf Atlas V 401

Der Beitrag Forschende weisen tägliche Meteoriteneinschläge auf dem Mars nach erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

DLR, 21. Dezember 2022. Die Marsmission InSight ist Geschichte. Am 20. Dezember 2022 erklärte die NASA die Mission für beendet. Das Missionskontrollzentrum am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien hatte zuvor zweimal erfolglos versucht den Lander über Relaissatelliten im Marsorbit zu erreichen. Dies bedeutet mit großer Wahrscheinlichkeit, dass InSights solarbetriebene Batterien nicht mehr genug Strom liefern, ein Zustand, den Ingenieure als „Dead Bus Mode“ bezeichnen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war mit Messinstrumenten und einem Wissenschaftsteam an der Landemission beteiligt. InSight war die erste rein geophysikalische Marsmission. Der letzte Funkkontakt mit der Erde fand am 15. Dezember statt.

InSight nutzt Sonnenenergie zum Aufladen der Batterien, was aktuell aufgrund der verstaubten Solarpaneele nicht mehr ausreichend möglich ist. Falls der Wind die Solarpaneele reinigt und doch nochmals ein ausreichender Ladestand erreicht wird, würde sich InSight wieder hochfahren und zu kommunizieren versuchen. Dann wäre ein weiterer Kontakt möglich und sogar eine Wiederaufnahme des Betriebs. Wegen der zunehmenden Staubablagerung auf den Solarpanelen ist dies aber unwahrscheinlich.

„Es ist immer wieder bedauerlich, wenn eine Planetenmission, auf die man sich mehr als ein Jahrzehnt vorbereitet und dann Jahre lang betrieben hat, schließlich keine Messdaten mehr liefert“, blickt Prof. Dr. Heike Rauer, Direktorin des Berliner DLR-Instituts für Planetenforschung auf InSight zurück. „Auf der anderen Seite überwiegt absolut das Positive: Die wissenschaftlichen Früchte der Vorbereitung und Planung konnten geerntet werden. Wir haben so viel über den inneren Aufbau des Mars gelernt und nutzen dies auch für das Verständnis der anderen erdähnlichen Körper im Sonnensystem. Unsere Planetengeophysiker ziehen letztlich viele wichtige Erkenntnisse aus den Messungen.“

Das Missionsende zeichnete sich im Verlauf der letzten Monate ab und kam nicht überraschend. Mit mehr als vier Jahren übertraf die Missionsdauer die Erwartungen um das Doppelte. InSight (Interior Exploration Using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) war seit 1976 die achte Landemission der NASA auf den Mars und die erste, die sich fast ausschließlich geophysikalischen Untersuchungen widmete. Die Solarpanele waren so dimensioniert, dass sie trotz Staubablagerung genug Energie für die ursprünglich geplante Lebensdauer von einem Marsjahr (zwei Erdenjahre) liefern würden. Am Ende reichte es sogar für die Verlängerung der Missionsdauer um ein zweites Marsjahr.

Das meiste, aber nicht alles gelang wie geplant

Im Vordergrund dieser besonderen Mission standen Messungen des Wärmehaushalts und der seismischen Aktivität im Inneren des Planeten, um wichtige Informationen über seinen Aufbau, den Fluss von Wärme von Kern und Mantel an die Oberfläche und davon abgeleitet über die thermische Entwicklung des Planeten zu gewinnen. Hauptinstrumente für diese Messungen waren das vom DLR beigestellte Wärmeflussexperiment HP3 (Heatflow and Physical Properties Package) und das von der französischen Weltraumorganisation CNES entwickelte Seismometer SEIS (Seismic Experiment for Interior Structures). Es ist die NASA-Marsmission mit dem mit Abstand bedeutendsten europäischen Beitrag bislang. NASA -Wissenschaftsdirektor Dr. Thomas Zurbuchen würdigte die Mission als großen Erfolg.

Roboterarm hilft Maulwurf unter die Oberfläche

Zwar lieferte der „Marsmaulwurf“ HP3 des DLR nicht vollständig die erwarteten Messungen (hier im Logbuch des Principal Investigators, Prof. Dr. Tilman Spohn, dem früheren Direktor des DLR-Instituts für Planetenforschung, nachzulesen), weil die Wärmeflusssonde nicht so tief wie erforderlich in den Boden vordringen konnte. Die Wärmeflusssonde HP3 mit dem „Mole“, dem „Marsmaulwurf“, hat das Team mehr als zwei Jahre lang in Atem gehalten. Ursprünglich sollte der Mole in eine Tiefe von fünf Metern vordringen und ein Messkabel mit Temperatursensoren hinter sich herziehen. „Damit hätten wir messen können, wie die Temperatur mit der Tiefe ansteigt. Mit Hilfe der beim Eindringen des Maulwurfs gemessenen Wärmeleitfähigkeit hätten wir direkt den Wärmestrom aus dem Inneren des Mars bestimmen können“, erläutert Prof. Tilman Spohn. „Diese Größe hätte uns geholfen, die Entwicklung des Mars von einem heißen Ursprung zu seinem heutigen, fast kalten Zustand einzuordnen.“

Der Marsmaulwurf, der als selbst hämmernde Sonde für den bekannten lockeren, sandigen Boden anderer Missionen entwickelt wurde, konnte in dem unerwartet harten Boden um InSight herum keinen Halt finden. Das Instrument war schließlich in der Lage, seine 40-Zentimeter-Sonde knapp unter der Oberfläche zu vergraben und dabei immerhin wertvolle Daten über die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Marsbodens zu sammeln. „Diese Daten werden sehr hilfreich für die zukünftige Erkundung des Mars durch Menschen oder Roboter sein, die versuchen, im Mars-Untergrund zu graben“, so Prof. Tilman Spohn weiter. Dass der Maulwurf sich schließlich eingraben konnte, ist einer Teamleistung der Ingenieure von JPL und DLR zu verdanken. Sie setzten den Roboterarm des Landers auf kreative Weise ein, um dem Mole zusätzlichen Halt zu geben. Der Arm und seine kleine Schaufel waren in erster Linie dazu gedacht, wissenschaftliche Instrumente auf der Marsoberfläche abzusetzen. Schließlich halfen diese aber sogar dabei, InSights Solarpaneele etwas vom Staub zu befreien, als die Energie abnahm.

Das Seismometer lieferte bahnbrechende Daten

Beim Experiment SEIS indes waren die Aufzeichnungen von sich durch die Marskruste ausbreitenden Bebenwellen von enormem wissenschaftlichem Wert. Es wurden zwischen Anfang 2019 bis Missionsende seismische Wellen von mehr als 1300 „Ereignissen“, also Erschütterungen des Marsbodens, aufgezeichnet. Darunter hauptsächlich von Marsbeben , die sich an unterschiedlichen Orten in der Marskruste bei der Entladung tektonischer Spannungen ereignet haben, aber auch von wenigen Bebenwellen, die durch den Einschlag von Asteroiden ausgelöst wurden: Dabei konnte sogar der Ort der Einschläge rekonstruiert und in mehreren Fällen durch Fotos des Mars Reconnaissance Orbiter bestätigt werden, wobei die beiden größten Krater mehr als 100 Meter Durchmesser hatten.

Vor allem die tektonisch verursachten Marsbeben lieferten wichtige Hinweise zum Aufbau des Roten Planeten . Durch Reflexionen von Wellen an der Grenze zwischen festem Gesteinsmantel und flüssigem Kern konnte die Größe des Marskerns endlich genau bestimmt werden. Sein Durchmesser beträgt zwischen 3600 und 3700 Kilometer, was am oberen Ende des vor der Mission geschätzten Größe liegt. Zum Vergleich: Der Gesamtdurchmesser des Mars beträgt knapp 6800 Kilometer. Durch den Kern hindurch gelaufene seismische Wellen geben Hinweise auf seine innere Struktur und Zusammensetzung. Auch die ergänzenden Hilfsinstrumente an Bord lieferten wichtige Daten, wie beispielsweise das zu HP3 gehörende DLR-Radiometer RAD, das den täglichen Verlauf der Oberflächentemperatur durch Messung der Infrarotabstrahlung aufzeichnete. Damit konnten wichtige Daten zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaften des Marsbodens gesammelt werden.

Geduld gefragt: Beben nur im Marssommer

Nach Inbetriebnahme des Seismometers Anfang 2019 wurde zunächst einige Wochen lang kein einziges Marsbeben in den Aufzeichnungen entdeckt – sehr zur Beunruhigung des InSight-Teams. „Wir haben schon Berechnungen drüber angestellt, was es für unsere Theorien bedeuten würde, keine Beben zu registrieren“, erinnert sich Dr. Martin Knapmeyer, Seismologe im DLR-Institut für Planetenforschung und am SEIS-Experiment beteiligt, an eine „gewisse Nervosität“ in den ersten Missionswochen 2019. „Als es dann viel später doch noch losging, wurde klar, dass im lokalen Winter, in dem InSight landete, das Rauschen des Windes alle Signale von Marsbeben überdeckte. Wir konnten dann am DLR obendrein nachweisen, dass die Häufigkeit von Marsbeben im Winter tatsächlich geringer ist als im Sommer.“

Später, an ‚lauen‘ Frühlings- und Sommerabenden in der Landeregion Elysium Planum, herrschte fast Windstille, so dass vorwiegend zwischen Sonnenuntergang und Mitternacht ideale Messbedingungen gegeben waren und letztlich die mehr als 1300 Marsbeben registriert werden konnten. Viele davon fanden in der Region Cerberus Fossae statt, 1500 Kilometer von InSight entfernt. Das entspricht etwa der Entfernung zwischen Köln und dem Ätna auf Sizilien. Im Gebiet von Cerberus Fossae fanden die letzten vulkanischen Aktivitäten vor weniger als 200.000 Jahren statt, und die beobachteten Beben weisen Eigenschaften auf, wie man sie aus vulkanischen Regionen der Erde kennt, beispielsweise auch der Eifel. „Allerdings bedeutet dies nicht, dass hier in nächster Zeit mit einem neuen Vulkanausbruch zu rechnen ist“, ordnet Knapmeyer die Messungen ein.

Endlich Zahlenwerte für die Krustendicke des Mars

Aus der Untersuchung von Variationen im Schwerefeld des Mars, welche die Umlaufbahnen von Orbitern um Winzigkeiten in ihrer Flughöhe verändern, war lange bekannt, dass die Marskruste eine regional unterschiedliche Dicke aufweist. Seit Jahrzehnten wurde angestrebt, mit seismischen Messungen nicht nur die relative, sondern auch die absolute Dicke der Kruste zu messen. Mit InSight ist dies nun gelungen, zunächst nur für den Landeplatz selber. Durch die Registrierung von Oberflächenwellen von einigen der stärkeren Marsbeben wurde es aber auch möglich, die Krustendicke entlang des Weges dieser Wellen zu ermitteln. „Damit können an die ‚Höhenlinien‘ der Krustendicke nun endlich auch Zahlen drangeschrieben werden“, stellt Martin Knapmeyer ein weiteres wichtiges Ergebnis der Mission heraus. Die mittlere Dicke der Kruste liegt zwischen 24 und 72 Kilometern, womit diese etwas dünner ist als frühere, indirektere Untersuchungen ergeben haben.

Vielfältige Missionen am Mars

Aktuell sind auf der Marsoberfläche nun noch drei Missionen aktiv: Die NASA-Rover Curiosity (2012 gelandet) im Krater Gale und der 2021 im Krater Jezero angekommene Marsrover Perseverance, sowie die chinesische Mission Tianwen 1 mit Rover Zurong und Landestation. In der Marsumlaufbahn befinden sich die NASA-Sonde Mars 2001 Odyssey (seit 2001), der Orbiter Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA (seit 2003) mit der DLR-Stereokamera HRSC, der NASA-Mars-Reconnaissance-Orbiter (seit 2006), der NASA-Atmosphärenorbiter MAVEN (seit 2014), der ExoMars Trace Gas Orbiter der ESA (seit 2016) und der Orbiter der chinesischen Tianwen-1-Mission (seit 2021) sowie der Orbiter Al-Amal der Vereinigten Arabischen Emirate (seit 2021).

Über die Marsmission InSight

Die Mission InSight wurde vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Die Raumfahrtagentur im DLR hat mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Beitrag des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum französischen Hauptinstrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) gefördert. Forschende des DLR sind an der Auswertung der SEIS-Daten beteiligt. Insbesondere hat das DLR das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) mit dem „Marsmaulwurf“ beigesteuert, dessen Kommandierung durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in Köln erfolgte.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• InSight auf Atlas V 401

Der Beitrag InSight: Missionsende nach über vier Jahren auf dem Mars<br>Ende einer wissenschaftlichen Erfolgsgeschichte erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Seit 2018, als im Rahmen der InSight Mission der NASA das Seismometer SEIS auf der Marsoberfläche installiert wurde, haben Seismologen und Geophysiker der ETH Zürich seismische Wellen von mehr als 1300 Marsbeben registriert. Immer wieder haben die Forschenden kleinere und größere Beben feststellen können. Nun förderte eine detaillierte Analyse des Orts und der spektralen Eigenschaften dieser Marsbeben Überraschendes zutage: Die Beben geben nämlich Hinweise darauf, dass die Marsoberfläche noch immer von vulkanischen Aktivitäten geprägt wird.

Anzeichen neuerer Aktivitäten auf dem Mars
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich hat mehr als 20 neuere Marsbeben analysiert, die ihren Ursprung in den Cerberus Fossae hatten – das ist eine aus verschiedenen Gräben und Brüchen bestehende Region auf dem Mars. Aus den seismischen Daten schlossen die Forschenden, dass die niedrigfrequenten Beben auf eine potenziell warme Quelle hindeuten. Diese würde sich erklären lassen durch in neuerer Zeit und in dieser Tiefe geschmolzene Lava, das heißt Magma unter der Marsoberfläche, sowie vulkanische Aktivitäten auf dem Mars. Insbesondere stellten die Forschenden fest, dass die Beben größtenteils im innersten Teil des Grabensystems der Cerberus Fossae stattfanden.

Als sie seismische Daten mit Aufnahmen des entsprechenden Bereichs verglichen, entdeckten die Forschenden zudem nicht nur in der Hauptwindrichtung, sondern in verschiedene Richtungen um die Cerberus Fossae herum dunklere Ascheablagerungen. «Der dunklere Farbton dieser Asche weist neuere vulkanische Aktivität nach, die vielleicht innerhalb der letzten 50’000 Jahre aufgetreten ist. Das ist geologisch gesehen relativ jung», erklärt Simon Stähler, der Erstautor eines soeben in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikels. Stähler ist leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter der von Professor Domenico Giardini geleiteten Gruppe Seismologie und Geodynamik am Institut für Geophysik der ETH Zürich.

Wozu Untersuchungen auf unserem Nachbarplaneten?
Die Nachbarplaneten der Erde zu untersuchen, ist keine einfache Aufgabe. Der Mars ist der einzige Planet neben der Erde, auf dem Forschende bodengestützte Rover, Lander und jetzt sogar Drohnen stationiert haben, welche Daten übertragen. Für die Erkundung aller anderen Planeten ist man bisher auf Bilder aus dem Weltraum angewiesen. «SEIS ist das empfindlichste je auf einem anderen Planeten installierte Seismometer», sagt Domenico Giardini. «Es bietet Geophysikern und Seismologen die Möglichkeit, mit aktuellen Daten zu arbeiten, die aufzeigen, was gerade auf dem Mars passiert, und zwar sowohl auf der Oberfläche als auch im Inneren.» Zusammen mit Aufnahmen aus der Umlaufbahn bieten die seismischen Daten verlässliche wissenschaftliche Hinweise.

Als einer unserer unmittelbaren Nachbarplaneten ist der Mars auch wichtig für das Verständnis ähnlicher geologischer Prozesse auf der Erde. Der Rote Planet ist der einzige uns bekannte Planet, dessen Kern aus Eisen, Nickel und Schwefel besteht, die möglicherweise einst Teil eines Magnetfelds waren. Topografische Erkenntnisse deuten zudem darauf hin, dass der Mars früher über große Wassermengen und eine potenziell dichtere Atmosphäre verfügte. Noch heute gibt es gefrorenes Wasser an den Polkappen des Planeten, wenn auch wahrscheinlich größtenteils als Trockeneis. «Auch wenn es noch viel zu entdecken gibt, ist der Nachweis eines möglichen Magmavorkommens auf dem Mars spannend», so Anna Mittelholz, die als Postdoc an der ETH Zürich und der Harvard University tätig ist.

Letzte Reste geophysischen Lebens
Schaut man sich Bilder der trockenen, staubigen Weiten der Marslandschaft an, ist schwer vorstellbar, dass der Mars vor etwa 3,6 Milliarden Jahren lebendig war – zumindest aus geophysischer Sicht. Jedenfalls spie er ausreichend lange Vulkanschutt aus, um die Tharsis-Berge, das größte Vulkansystem unseres Sonnensystems, und den Olympus Mons zu bilden, einen Vulkan, der fast dreimal so hoch ist wie der höchste Berg der Erde, der Mount Everest.

Dass sich der Bebenherd in den nahen Cerberus Fossae – benannt nach dem Höllenhund aus der griechischen Mythologie – befand, deutet darauf hin, dass der Mars noch nicht ganz tot ist. Hier kommt es zum Absinken in der Vulkanregion und zur Bildung paralleler Gräben (oder Brüche), wodurch die Kruste des Planeten ähnlich wie die eines Kuchens im Backofen aufreißt. Laut Stähler ist es möglich, dass das, was wir dort sehen, der Rest einer ehemals aktiven Vulkanregion ist oder dass das Magma sich gerade weiter nach Osten hin zum nächsten Ausbruchherd bewegt.

An der Studie waren Forschende der ETH Zürich, der Harvard University, der Universität Nantes, des CNRS Paris, des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) in Berlin sowie des Caltech beteiligt.

Originalpublikation:
Stähler SC, Mittelholz A, Perrin C, Kawamura T, Kim D, Knapmeyer M, Zenhäusern G, Clinton J, Giardini D, Longnonné, P, Banerdt WB: Tectonics of Cerberus Fossae unveiled by marsquakes. Nature Astronomy, 2022, DOI:10.1038/s41550-022-01803-y, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01803-y, https://arxiv.org/abs/2206.15136, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.15136.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• InSight auf Atlas V 401
• Planet Mars

Der Beitrag Neue Daten sprechen für Magma auf dem Mars erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Der Marsbebendienst an der ETH Zürich analysiert die Messungen, die das Seismometer der InSight-Mission auf unserem Nachbarplaneten durchführt. Fast drei Jahre lang wurden nur Bebenwellen entdeckt, die sich vom jeweiligen Bebenherd durch den tiefen Mars hindurch ausbreiteten. Die Forschenden hofften jedoch auf ein Ereignis, das auch Wellen erzeugt, die entlang der Planetenoberfläche reisen. Am 24. Dezember 2021 war es soweit: Ein Meteoriteneinschlag auf dem Mars bescherte ihnen die ersehnten Oberflächenwellen.

Die Forscher und Forscherinnen hatten aufgrund der untypischen Charakteristiken des aufgezeichneten Bebens eine Quelle nahe der Oberfläche vermutet. Sie kontaktierten daraufhin Kollegen, die mit einer Sonde in der Marsumlaufbahn arbeiteten. Tatsächlich zeigten Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiter an den Weihnachtstagen 2021 einen großen Einschlagkrater in rund 3500 Kilometer Entfernung zu InSight.

«Der Ort stimmte gut mit unseren Schätzungen für die Quelle des Bebens überein», sagt Doyeon Kim, Oberassistent am ETH-Institut für Geophysik und Erstautor der Studie, die jetzt in der Zeitschrift Science erschienen ist. Auch bei einem zweiten, untypischen Beben konnten die Forschenden als Quelle einen Meteoriteneinschlag in knapp 7500 Kilometer Distanz zu InSight ausmachen.

Weil der Herd der beiden Beben an der Oberfläche lag, wurden nicht nur Raumwellen erzeugt, wie bei den bisher aufgezeichneten Marsbeben, deren Herd in grösserer Tiefe lag, sondern auch Wellen, die sich entlang der Planetenoberfläche ausbreiteten. «Es ist das erste Mal, dass jemand auf einem anderen Planeten als der Erde seismische Oberflächenwellen beobachtet hat. Selbst auf dem Mond während der Apollo-Missionen war dies nicht möglich», sagt Kim.

Die Oberflächenwellen sind für die Forschenden deshalb so wichtig, weil sie Informationen über die Struktur der Marskruste liefern. Die Raumwellen, die bei den Beben durch das Innere des Planeten reisen, ermöglichten bisher zwar Erkenntnisse über den Marskern und den Mantel, sagten aber wenig aus über die Kruste.

Überraschendes Resultat
«Bislang beruhte unser Wissen über die Marskruste auf nur einer Punktmessung unter dem InSight-Lander», erklärt Kim. Das Resultat der Analyse der Oberflächenwellen überraschte den Geophysiker: Die Marskruste zwischen den Einschlagsorten und dem Seismometer von InSight hat im Durchschnitt eine sehr einheitliche Struktur und eine hohe Dichte. Direkt unter der Sonde hingegen hatten die Forschenden zuvor drei Schichten der Kruste nachgewiesen und eine geringere Dichte gemessen.

Die neuen Erkenntnisse sind darum so interessant, weil die Kruste eines Planeten wichtige Hinweise auf die Entstehung und Entwicklung des Himmelskörpers gibt. Sie ist das Ergebnis von frühen dynamischen Vorgängen im Mantel und den nachfolgenden magmatischen Prozessen. Deshalb kann sie Aufschluss geben über die Bedingungen vor Milliarden von Jahren und die Geschichte der Einschläge, die in der Frühzeit des Planeten Mars besonders häufig waren.

Wie die neue Messung funktionierte, erklärt der Forscher folgendermaßen: «Die Geschwindigkeit, mit der sich die Oberflächenwellen ausbreiten, hängt von deren Frequenz ab und diese wiederum von der Tiefe.» Misst man über verschiedene Frequenzen hinweg, wie sich die Geschwindigkeit in den seismischen Daten verändert, so kann man daraus schließen, wie sich die Geschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefen verändert, denn die verschiedenen Frequenzen sind für unterschiedliche Tiefen empfindlich. Daraus wiederum lässt sich die durchschnittliche Dichte des Gesteins abschätzen, weil die seismische Geschwindigkeit auch von den elastischen Eigenschaften des Materials abhängt, durch das die Wellen sich fortbewegen. So konnten die Forschenden die Struktur der Kruste in einer Tiefe von rund 5 bis 30 Kilometer unter der Marsoberfläche bestimmen.

Erklärung für größere Wellengeschwindigkeit
Doch warum ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der jetzt beobachteten Oberflächenwellen beträchtlich höher als man aufgrund der früheren Punktmessung unter der Marssonde InSight erwarten würde? Liegt das hauptsächlich am Oberflächengestein oder an anderen Mechanismen? Generell weist vulkanisches Gestein in der Regel höhere seismische Geschwindigkeiten auf. Und die Wege zwischen den beiden Meteoriteneinschlägen und dem Messort führen durch eine der größten vulkanischen Regionen auf der nördlichen Hemisphäre des Mars.

Verschiedene Mechanismen wie die Bildung von Oberflächenlava oder die Schließung von Porenräumen durch Erhitzung im Zusammenhang mit vulkanischen Prozessen können die Geschwindigkeit der seismischen Wellen erhöhen. «Andererseits könnte die Krustenstruktur unter dem Landeplatz von InSight auf eine einzigartige Art entstanden sein, beispielsweise als bei einem großen Asteroideneinschlag vor über drei Milliarden Jahren Material ausgeworfen wurde. Dann ist die Krustenstruktur unter der Sonde wahrscheinlich nicht repräsentativ für die allgemeine Krustenstruktur auf dem Mars», erklärt Kim.

Das Rätsel der Mars-Dichotomie lösen
Die neuen Untersuchungen könnten zudem helfen, ein Jahrhunderte altes Rätsel zu lösen. Seit die ersten Teleskope auf den Mars gerichtet wurden, weiß man, dass ein scharfer Kontrast zwischen Süd- und Nordhalbkugel existiert. Während die südliche Hemisphäre von einem von Meteoritenkratern bedeckten Hochplateau geprägt ist, besteht der nördliche Teil größtenteils aus flachen, vulkanischen Tiefebenen, die in der Frühgeschichte des Planeten von Ozeanen bedeckt gewesen sein könnten. Diese Aufteilung in südliches Hochland und nördliches Tiefland wird Mars-Dichotomie genannt.

«Bisher gibt es keine akzeptierte Erklärung für die Dichotomie, weil wir ihre tiefe Struktur nie sehen konnten», sagt Domenico Giardini, ETH-Professor für Seismologie und Geodynamik: «Nun beginnen wir, diese Struktur aufzudecken.» Erste Resultate widerlegen offenbar eine der bisher gängigen Theorien für die Mars-Dichotomie: Die Krusten im Norden und Süden bestehen vermutlich nicht aus unterschiedlichen Materialien wie bisher oft angenommen, und ihre Struktur könnte in relevanten Tiefen überraschend ähnlich sein.

Langes Warten auf die Welle
Schon bald erwarten die ETH-Forschenden weitere Ergebnisse. Denn im Mai 2022 beobachtete InSight das bisher größte Marsbeben mit einer Magnitude 5 – ein Ereignis, bei dem ebenfalls Oberflächenwellen aufgezeichnet wurden. Es geschah gerade noch rechtzeitig, bevor die InSight-Mission zu Ende geht, weil der Sonde allmählich der Strom ausgeht. Eine erste Analyse der Daten bestätigt die Erkenntnisse, welche die Forschenden aus den beiden Meteoriteneinschlägen gewonnen haben. «Es ist verrückt: Wir haben so lange auf diese Wellen gewartet und nun hatten wir nur Monate nach den Meteoriteneinschlägen dieses große Beben, das äußerst reichhaltige Oberflächenwellen erzeugt hat. Diese erlauben es uns, noch tiefer in die Kruste vorzudringen: bis in etwa 90 Kilometer Tiefe.»

Originalpublikation:
Kim D et al.: Surface Waves and Crustal Structure on Mars. Science 27. Oktober 2022, doi: 10.1126/science.abq7157, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7157.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• InSight auf Atlas V 401
• Planet Mars

Der Beitrag Was Wellen über die Marskruste verraten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Die NASA-Mission InSight registrierte an Heiligabend 2021 mit seinem Seismometer SEIS die Erschütterungen eines Meteoriteneinschlags auf dem Mars, die so stark waren wie ein Beben der Magnitude 4. Unabhängig davon fotografierte der Mars Reconnaissance Orbiter der NASA einen neuen, 150 Meter großen Krater, der sich genau auf diesen 24. Dezember 2021 datieren ließ. Beide Forschungsteams tauschten sich aus und kamen zu dem Schluss, dass die Quelle der seismischen Aktivität und der Ort des neuen Kraters zusammenpassen. Dies war das erste Mal, dass ein Meteoriteneinschlag auf einem anderen Planeten sowohl fotografisch als auch seismisch registriert wurde. Erstaunlich waren große Mengen von Wassereis, die durch den Einschlag mit dem offiziellen Namen S1094b aus dem neuen Krater geschleudert wurden. In zwei heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikeln werden das Ereignis und seine Auswirkungen detailliert beschrieben. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind an den Analysen beteiligt. Zudem erschien parallel ein Artikel in Nature Astronomy zur Tektonik auf dem Mars, welcher die in den letzten Jahren mit InSight beobachteten Marsbeben als Auswirkung früherer vulkanischer Aktivitäten im Gebiet Cerberus Fossae interpretiert.

Als der Meteorit in der Region Amazonis Planitia einschlug, sprengte er einen Krater mit einem Durchmesser von 150 Metern und einer Tiefe von 21 Metern in den Marsboden. Ausgeworfenes Material färbt die Oberfläche bis in etliche Kilometer Entfernung dunkel und ist vereinzelt noch in 37 Kilometer Entfernung zu sehen. Mit der seismischen Detektion durch InSight und den nachfolgenden Bildern des Mars Reconnaissance Orbiter hatten die Forscherinnen und Forscher das äußerst seltene Glück, die Entstehung eines Kraters dieser Größe zu beobachten. Mars hat insgesamt eine Vielzahl deutlich größerer Krater, die allerdings auch mehrere Millionen oder Milliarden Jahre alt sind.

Der fotografische Nachweis hat den großen Vorteil, dass damit die genaue Richtung und Entfernung zum Epizentrum exakt bekannt ist, was sich mit einem einzelnen Seismometer sonst nur deutlich ungenauer abschätzen lässt. Dadurch kann viel genauer berechnet werden, auf welchem Weg die seismischen Wellen durch den Mars gelaufen sind, und welche Eigenschaften die Gesteine entlang dieses Wegs haben. Die Beobachtung von Meteoriteneinschlägen hilft so, das Innere des Mars noch besser zu verstehen.

Eis unter der Oberfläche nahe des Marsäquators
Brandneue Krater bieten Einblicke in die Prozesse der Kraterbildung und legen frische, noch nicht von Wind, Wetter und Sonnenstrahlung modifizierte Materialien unter der Oberfläche frei. In diesem Fall wurden große Eisbrocken, die durch den Einschlag verstreut wurden, von der HiRISE-Farbkamera (High-Resolution Imaging Science Experiment) des Mars Reconnaissance Orbiter der NASA aufgenommen, was das Forschungsteam vermuten lässt, dass der Einschlag eine Eisschicht in 10 bis 20 Metern Tiefe unter der Oberfläche freigelegt hat. Für zukünftige bemannte Marsmissionen ist es besonders interessant, wo auf dem Mars unterirdisches Eis für die menschliche Nutzung zu finden ist: Unterirdisches Wassereis wurde schon mehrmals in den nördlichen Tiefebenen, aber noch nie so nahe am Marsäquator gesichtet, wo der Mars am wärmsten ist.

Zweiter Einschlag in seismischen Daten entdeckt
Nach der Untersuchung des seismischen Signals des Einschlags nahmen sich das Forschungsteam auch ältere Daten noch einmal vor, um nach ähnlichen Seismogrammen zu suchen. Tatsächlich fanden sie, dass das Epizentrum eines Marsbebens vom 18. September 2021 zu einem frischen Krater von mehr als 100 Meter Größe passt. Dieser Einschlag wird ebenfalls in der Studie beschrieben. „Es ist außergewöhnlich einen frischen Krater dieser Größe zu entdecken“, sagt Ingrid Daubar von der Brown University im US-Bundesstaat Providence, die die wissenschaftliche Arbeitsgruppe für Einschläge bei InSight leitet. „Das ist ein aufregender Moment in der geologischen Geschichte des Mars, und wir durften ihn miterleben.“

Oberflächenwellen erlauben Rückschlüsse auf Struktur der Marskruste
Das Beben, das durch den massiven Einschlag im Dezember 2021 ausgelöst wurde, war das erste von der Mission beobachtete Beben mit Oberflächenwellen – einer Art seismischer Welle, die sich entlang der Oberseite der Planetenkruste ausbreitet. In der zweiten der beiden heute in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeiten wird beschrieben, wie die Wissenschaftler diese Wellen nutzten, um die Struktur der Marskruste zu untersuchen. „Die Analysen der beiden Einschlagsereignisse zeigen, dass sich die Krustenstruktur auf der jeweiligen Strecke zwischen Impakt und der InSight-Plattform von der Krustenstruktur an der Landestelle selbst unterscheiden“, erklärt Dr. Ana-Catalina Plesa vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Die im Durchschnitt höhere Ausbreitungsgeschwindigkeiten der seismischen Wellen deuten auf eine andere Zusammensetzung der Kruste in diesen Bereichen hin. Eine niedrigere Porosität der Kruste dort könnte ebenfalls eine Ursache sein. Beides wiederum würde auf eine höhere Krustendichte hinweisen und auf lokale Variationen in der Dichte der Mars-Kruste, wie wir sie bisher nicht kannten.“ Vorläufige Analysen deuten darauf hin, dass die Krustenstruktur der nördlichen und südlichen Mars-Hemisphäre in den Tiefen von 5 bis 30 Kilometern ähnlich sein könnten. „Weitere Analysen und der direkte Vergleich von seismischen Wellen beider Einschlagsereignisse werden uns wichtige Hinweise über die Bildung und Ausprägung der ‚Mars-Dichotomie‘ geben, die die Teilung in nördliche Tiefländer und südliche Hochländer auf dem Mars beschreibt“, so Plesa weiter, die an der Studie beteiligt ist.

Viele Marsbeben liefern Hinweise zur Tektonik des Mars
In einer weiteren aktuellen Veröffentlichung im Fachmagazin Nature Astronomy werden die in den vergangenen drei Jahren registrierten Marsbeben in einen geologischen Kontext gesetzt: Die meisten dieser Beben, für die ein Epizentrum berechnet werden konnte, ereigneten sich im Gebiet Cerberus Fossae etwa 1500 Kilometer östlich der Position des InSight-Landers. Dabei handelt es sich um ein Gebiet von relativ jungem Vulkanismus, dessen letzte Ausbrüche vor etwa 50.000 bis 200.000 Jahren stattfanden. „Ein auffälliges Merkmal von Cerberus Fossae sind hunderte Kilometer lange, aber sehr schmale und tiefe Gräben, die sich wie Risse in einem aufgehenden Teig durch die Landschaft ziehen“, erklärt der Seismologe Dr. Martin Knapmeyer vom DLR-Institut für Planetenforschung, der an dieser Studie beteiligt ist. „Solche Gräben können entstehen, wenn sich vulkanische ‚Gänge‘ bilden, wenn also Magma aus größerer Tiefe in Risse der oberen Kruste eindringt, und dabei das ganze Gebiet aufwölbt und anhebt. Im Laufe der Zeit erstarrt das Magma und zieht sich dabei etwas zusammen. Einige der registrierten Marsbeben fanden an Orten statt, die sich in der Nähe der zuletzt ausgeworfenen Lava befinden und einige eben auch unter den sichtbaren Gräben. Dabei zeigen sich Seismogramme, die gut zu abkühlenden Ganggesteinen passen“, so Knapmeyer weiter.

Eine andere „Familie“ von Marsbeben dagegen zeigt eine ungewöhnlich langsame Bruchausbreitung, wie sie aus vulkanischen Gebieten auf der Erde, wie etwa auch der Eifel, bekannt ist. Diese langsame Bruchausbreitung steht im Zusammenhang mit der Erwärmung des Gesteins durch das eingedrungene Magma – je wärmer ein Gestein, desto langsamer die Ausbreitung seismischer Wellen. „Damit zeigen die Daten von SEIS, dass Cerberus Fossae auch im Untergrund von der Erde bekannten vulkanischen Gebieten ähnelt, und der Vulkanismus dort vielleicht wie in der Eifel noch nicht ganz erloschen ist, sondern gegenwärtig nur ruht“, unterstreicht Knapmeyer.

InSight liefert den Blick ins Marsinnere
Die Marssonde InSight wurde zum Mars geschickt, um das tiefe Innere des Planeten – seine Kruste, seinen Mantel und seinen Kern – zu untersuchen, was den Wissenschaftlern Aufschluss über die Entstehung aller Gesteinsplaneten, einschließlich der Erde und des Mondes, geben kann. Seismische Wellen sind der Schlüssel zu diesem verbesserten Verständnis. Seit der Landung im November 2018 hat das SEIS-Experiment (Seismic Experiment for Interior Structrue) auf InSight 1.318 Marsbeben aufgezeichnet, darunter mehrere, die durch viel kleinere Meteoriteneinschläge verursacht wurden. Die meisten Beben haben allerdings tektonische Ursachen, also Verschiebungen von Gesteinspaketen wie bei Erdbeben, verursacht.

Wie oft es zu großen Meteoriteneinschlägen kommt ist nicht nur wegen einer möglichen Gefährdung von zukünftigen Astronauten von Interesse. Die Anzahl und Größe von Kratern auf anderen Planeten wird herangezogen, um das Alter ihrer Oberflächen zu bestimmen. In diese statistische Auswertung geht die Einschlagshäufigkeit ein, welche umso genauer ermittelt werden kann, je mehr Einschläge unmittelbar nach dem Ereignis entdeckt werden können. Bei dem kürzlich erfolgten Experiment der DART-Mission schließlich ging es darum, Einschläge wie jenen von S1094b auf der Erde zu verhindern.

Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Die Raumfahragentur im DLR hat mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Beitrag des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum französischen Hauptinstrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) gefördert. Forschende des DLR sind an der Auswertung der SEIS-Daten beteiligt. Darüber hinaus hat das DLR das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) mit dem „Marsmaulwurf“ beigesteuert.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• InSight auf Atlas V 401

Der Beitrag Marsbeben und Eisbrocken: Meteoriteneinschlag liefert Blick unter die Marsoberfläche erschien zuerst auf Raumfahrer.net.