Der unruhige Rote Planet

Bei uns entstehen solche Rinnen, wenn eine Mixtur aus Sand, Geröll und Wasser zu Tal stürzt. Auf dem Mars hatte der NASA-Satellit Global Surveyor bereits vor über zwei Jahrzehnten etwas Ähnliches entdeckt. Vor allem an Kraterwällen und Berghängen, sogar auf Dünen, wurden Zehntausende Gullys aufgespürt. Viele wirkten so frisch, als wären sie vor geologisch kurzer Zeit entstanden (bdw 9/2004, „Überraschend junge Wasserspuren“).

Wasser in Hangrinnen?

Die Debatte, ob die Rinnen tatsächlich die Existenz von Wasser im Marsboden belegen, dauert immer noch an. Denn Kritiker bemängelten, dass sich die allermeisten Rinnen an Orten befinden, wo unter den aktuellen klimatischen Verhältnissen flüssiges Wasser gar nicht existieren kann. Vielleicht haben die Rinnen eine andere Ursache: etwa Kohlendioxid, das am Boden vom Trockeneis direkt in die Gasphase wechselt. Diese CO₂-Sublimation wird an vielen Stellen des Roten Planeten beobachtet. Gleichwohl blieb es unklar, ob sie als alternative Erklärung wirklich trägt, weil ein solcher Prozess bei der Bildung von irdischen Hangrinnen unbekannt ist.

Dass sich das Klima auf dem Mars wandelt, ist allerdings unumstritten. Der Grund dafür liegt in seiner Drehachse. Ihre Neigung bestimmt wie auf der Erde die Jahreszeiten. Sie war innerhalb jüngerer geologischer Perioden unterschiedlich stark. Die Änderungen des Neigungswinkels werden durch gravitative Störkräfte bewirkt, die andere Planeten auf den Mars ausüben. Solche Kräfte wirken auch auf die Erdachse, jedoch werden sie durch unseren Mond weitgehend kompensiert, weshalb das Erdklima generell stabiler ist. Nicht so auf dem Mars, dessen beide Kleinmonde diese Schutzwirkung nicht haben.

War also zumindest in der Vergangenheit Wasser die treibende Kraft bei der Entstehung der Gullys? Dickson und seine Kollegen simulierten im Computer das Marsklima mit einem dreidimensionalen Zirkulationsmodell. Sie wollten wissen, wie sich das Klima veränderte, als die Drehachse des Planeten stärker geneigt war als heute. Ihren Resultaten zufolge waren Temperatur und Atmosphärendruck in den letzten Jahrmillionen auf dem Mars mehrmals recht hoch, zuletzt noch vor rund 630.000 Jahren. Damals betrug die Neigung der Marsachse rund 35 Grad, was in den gemäßigten Breiten der gullyreichen Südhalbkugel für mehr als 15 Prozent des Jahres ausreichte, Wassereis zu schmelzen und so die Bildung der Rinnen auszulösen.

Danach kehrte die Drehachse des Planeten zur aktuellen Neigung von 25,2 Grad zurück – und somit zum kühleren Klima. Manche Gullys sind heute Kältefallen für saisonalen Frost aus H₂O und CO₂, schreiben die Wissenschaftler. Trotzdem reichen die Temperaturen der wärmeren Jahreszeiten aus, um sowohl Wassereis als auch Trockeneis zu sublimieren. Das kann noch immer kleinere Veränderungen an den Gullys auslösen, wie auf den Satellitenfotos beobachtet.

Kurze Tage auf dem Mars

Nicht nur die Neigung der Rotationsachse ist langfristig variabel, sondern auch die Drehdauer. Anders ausgedrückt: Die Länge eines Marstages, auch Sol genannt, verändert sich. Mit 24 Stunden 39 Minuten und 36 Sekunden ist der marsianische Tag nur etwas länger als der Tag bei uns, wobei er sich neuen Analysen zufolge um 0,00076 Millisekunden pro Jahr verkürzt. Dies ergaben Auswertungen von InSight-Messungen, die ein internationales Team um Sébastien Le Maistre von der Belgischen Sternwarte in Brüssel kürzlich in der Fachzeitschrift nature publiziert hat. Die Studie wertete Daten des RISE-Instruments aus (Rotation and Interior Structure Experiment). Die Forscher berichten, wie in den ersten 900 Sols der Mission immer wieder Signale von den Antennen des Deep Space Network der NASA zu InSight und von dort postwendend zur Erde zurück gefunkt wurden. Aus winzigen Frequenzänderungen der Funkwellen, die aus dem Doppler-Effekt resultieren, ließen sich die Rotationseigenschaften des Mars ableiten. Was die Ursache der Beschleunigung ist, kann man noch nicht erklären, denn die Abnahme der Tageslänge übertrifft beispielsweise den Einfluss des Marsmondes Phobos um ein Tausendfaches. In Frage kommen das dynamische Planeteninnere oder Veränderungen an den Polkappen beziehungsweise in der Gashülle, überlegen die Wissenschaftler.

Radio-Experimente ähnlich wie RISE sind auch die Grundlage, um tief ins Innere anderer planetarer Körper zu blicken. Beispielsweise erlaubten sie jüngst Einblick in den Aufbau des Gasplaneten Jupiter (bdw 11/2023, „Schwingender Riese“).

Auch in Sachen Marsbeben waren die Forscher der InSight-Mission erfolgreich: SEIS registrierte bislang über 1.300. Mit der Messung dieser seismischen Wellen hatten die Forscher den Planeten gewissermaßen durchleuchtet. Das verschaffte ihnen bereits ein detailliertes Bild von dessen Innenleben: zum schalenartigen Aufbau und stattlichen zentralen Kern aus flüssigem Metall (bdw 11/2021, „Reise zum Mittelpunkt des Mars“). Nun berichten Le Maistre und seine Kollegen, wie sie mithilfe von RISE ebenfalls den Metallkern vermessen haben. Sie kamen auf einen Radius von 1835 Kilometern und bestätigen damit den Wert, der mithilfe der Bebenwellen ermittelt worden war. Einen inneren festen metallischen Kern – analog zur Erde – konnten die Forscher allerdings nicht aus ihren Daten erschließen. Einen solchen Kern hatten bereits die Seismologen als unwahrscheinlich erachtet.

Beben wie in der Eifel

Das heftigste Marsbeben überhaupt, am 4. Mai 2022, erreichte laut Martin Knapmeyer eine Stärke von 4,7. Das ist deutlich stärker als alle Mondbeben, die während der Apollo-Ära gemessen wurden. Der Kölner Geophysiker vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat die Beben auf dem Roten Planeten studiert: „Alles spricht dafür, dass anders als auf der weiträumig aktiven Erde sich die seismische Aktivität des Mars auf einige Zentren beschränkt.“ Das Rekordbeben ereignete sich wahrscheinlich nahe unter der Oberfläche und zwar nördlich des uralten, rund fünf Kilometer hohen Vulkans Apollinaris Mons. Gleichwohl ist das ein eher unauffälliges Gebiet, wo bisher keine tektonischen Geländemerkmale aufgespürt wurden.

Die Herde vieler anderer Beben liegen der Analyse eines internationalen Teams um Simon Stähler von der ETH Zürich zufolge in Cerberus Fossae. Das Gebiet ist nach dem Höllenhund benannt, der in der griechischen Mythologie am Eingang zur Unterwelt wacht. Der Name passt: In der Marsregion öffnet sich der Boden nämlich in einem System aus mehreren, hunderte Kilometer langen Brüchen.

Die Cerberus-Beben haben eine relativ niedrige Frequenz. Das deutet darauf hin, dass sie in eher weichem, potenziell warmen Gestein ablaufen. Sie ähneln somit den Erdbeben, die in der Eifel gemessen werden, sagt Martin Knapmeyer, Mitautor der Studie.

Zudem liegen die Epizentren dieser Beben an einer frischen Spalte, um die herum auf Satellitenfotos Ablagerungen von Asche zu erkennen waren. „Der dunkle Farbton dieser Asche weist auf neuere vulkanische Aktivität hin, die womöglich innerhalb der letzten 50.000 Jahre aufgetreten ist“, sagt Stähler. Geologisch gesehen ist dies sehr jung (bdw 11/2021, „Der feurige Rote Planet“).

Adrien Broquet und Jeffrey Andrews-Hanna analysierten die Topografie, Schwerkraft und Geologie der Elysium-Region, zu der auch die Cerberus Fossae gehören. Die beiden Forscher der University of Arizona in Tucson vermuten, dass das gesamte Gebiet über einem aktiven Mantelplume liegt. Aus diesem pilzförmigen Körper heißen Gesteins drängt Material aus dem tiefen Mantel des Planeten nach oben. Es drückt dabei gegen die Oberfläche, hebt die Kruste an und dehnt sie. Wenn geschmolzenes Gestein als Lava den Weg zur Oberfläche findet, bildet sich ein vulkanischer Hotspot. So ist auf der Erde beispielsweise die hawaiianische Inselkette entstanden, als die pazifische Platte langsam über einen Mantelplume driftete.

Der neuen Studie zufolge gibt es einen solchen Mantelplume genau unter den Cerberus Fossae. Er verursacht wohl die Aufwölbung der Elysium-Region und die dortigen geologisch jungen, mit Flutbasalten überschwemmten Vulkanebenen. Zwar ist laut Broquet die vulkanisch aktivste Epoche auf dem Mars, vor drei bis vier Milliarden Jahren, vorüber. „Damals entstanden die höchsten Vulkane im Sonnensystem.“

Doch die feurige Aktivität auf dem Roten Planeten dauert sehr wahrscheinlich noch an. Adrien Broquet meint, man müsse Mars nun ebenso wie Erde und Venus zu denjenigen Körpern im inneren Sonnensystem zählen, bei denen aktive Mantelplumes am Werk sind.