Die Unterwelt des Roten Planeten

Auch die Kenntnis, die Geologen vom Aufbau der Erde haben, stammt aus der Analyse von Erdbebenwellen. Im Prinzip kann man aus den Mars-Beben ganz ähnlich ableiten, wie dessen „Stockwerke“ beschaffen sind. Immerhin 24 der von SEIS gemessenen Beben breiteten sich auch tiefer, nämlich im Gesteinsmantel, aus. Sie ähneln unseren Erdbeben: Im Seismogramm zeigen sich erst die Druckwellen, die physikalisch Schallwellen ähneln. Als Nächstes folgen die langsameren Scherwellen.

Auch Nachbeben gibt es auf dem Mars. Während Sol 235, dem 235. Mars-Tag nach der InSight-Landung, folgte dem primären Beben nach 35 Minuten ein schwächeres mit einem ähnlichen Spektrum. Anders als Erdbeben klingen die Erschütterungen erst nach 10 bis 20 Minuten ab. Zudem fehlen die Oberflächenwellen – vermutlich weil die Bebenherde dafür zu tief liegen.

Alle gemessenen Mars-Beben waren schwach, keines erreichte die Magnitude 4. Ohne Hilfsmittel wären sie kaum wahrnehmbar. Auf der Erde ereignen sich Beben mit Magnitude 4 mehr als 1000 Mal pro Jahr. „Dass der Mars weniger aktiv ist als die Erde, hatten wir erwartet“, sagt Christensen. Denn anders als die Erde hat unser Nachbarplanet wohl nur eine zusammenhängende tektonische Platte. Deshalb gibt es keine Beben, die an den Grenzen benachbarter Platten entstehen. Bei uns stellen sie dagegen den Hauptanteil der starken Beben.

Beben, deren Ursprung wie auf dem Mars innerhalb einer Platte liegen, sogenannte Intraplattenbeben, kennt man auch von der Erde. Typischerweise sind sie schwach. Auf dem Mars sind sie ähnlich häufig wie bei uns – allerdings kann InSight an seinem Landeplatz nur einen Teil aller Mars-Beben messen.

Epizentrum im Elysium

Tausende Bebenwarten lauschen auf der Erde permanent nach Erschütterungen. Deshalb können Experten die Epizentren der Beben präzise bestimmen und nachzeichnen, welchen Weg die Bebenwellen durchlaufen haben. SEIS ist dagegen das einzige Instrument auf dem Mars. Das erschwert die Deutung der Daten.

Bislang ließen sich bei nur drei Mars-Beben die Epizentren bestimmen, also die Stellen auf der Mars-Oberfläche direkt über dem Bebenherd: Sie liegen rund 1500 Kilometer entfernt in der Region Cerberus Fossae der Elysium-Ebene. Das geologisch junge Gebiet ist von auffälligen Brüchen und Gräben durchzogen. Sie könnten durch den Druck des schwergewichtigen Vulkans Elysium Mons entstanden sein. Der Feuerberg ist mit 12,6 Kilometern der vierthöchste Berg auf dem Mars. Um auch Aussagen über das tiefere Mars-Innere treffen zu können, hofft das SEIS-Team auf ein stärkeres Beben. Denn die dabei ausgelösten Wellen würden tief durch den Planeten laufen − mit etwas Glück sogar bis zum Kern.

Das DLR steuerte zur InSight-Mission das Bordinstrument HP3 bei (Heat Flow and Physical Properties Package), bekannter unter seinem Spitznamen Maulwurf. Er soll 14 Sensoren, die auf einem langen Flachkabel befestigt sind, schrittweise bis zu fünf Meter tief in den Mars-Boden hämmern. Das Ziel ist, die Bodentemperatur abhängig von der Tiefe zu messen. Ähnliche Experimente wurden außerhalb der Erde nur auf dem Mond und dem Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko gemacht, dort allerdings erfolglos.

Der Maulwurf hängt fest

Mit den Messungen des Mars-Maulwurfs wollen die Planetologen klären, wie sich der Wärmehaushalt des Mars entwickelt hat. Zwar gelang es bislang nicht, den Maulwurf tiefer als 35 Zentimeter in den Boden zu treiben, denn dort stoppte ihn die sogenannte Duricrust. Das ist eine verfestigte Bodenschicht Am InSight-Landeplatz ist sie offenbar erheblich dicker, als es von anderen Landestellen bekannt ist.

Dennoch waren die Hammerschläge nützlich. Denn mit den Messungen, die SEIS währenddessen aufzeichnete, konnten die Forscher Aussagen über die oberen acht bis elf Kilometer der Mars-Kruste treffen: Das Gestein dort ist mit dem kristallinen Grundgebirge der Erde vergleichbar, allerdings ist es stärker zerklüftet. Das könnte eine Folge der vielen Meteoriteneinschläge auf dem Roten Planeten sein.

Eine genaue Analyse der drei am besten vermessenen Mars-Beben zeigte zudem, dass es in der oberen Mars-Kruste kleinere Mengen Fluide gibt. Dies könnten zum Beispiel salzige Lösungen sein. Die Experten lesen das aus der Dämpfung der Wellen heraus, die deutlich stärker ist als bei Beben auf dem trockeneren Mond. Dort betrieben Seismologen acht Jahre lang automatische Bebenmesser, die Apollo-Astronauten an den Landestellen stationiert hatten.

Auf dem Mars versucht das HP3-Team weiterhin die Temperaturfühler ihres Sensors im Boden zu versenken. Tatkräftige Hilfe leisten dabei die Experten des Jet Propulsion Laboratory in Kalifornien. Geplant ist, dass der Roboterarm der Sonde den Maulwurf unterstützen soll, indem er ihn zusätzlich in den Boden drückt. Wenn das nicht funktioniert, gibt es wohl keine Lösung des Problems, fürchtet DLR-Forscher Matthias Grott.

Auch aus dem Orbit kann man – sogar kilometertief – in den Mars-Boden schauen, und zwar mit Radarwellen. Dabei hat der europäische Satellit Mars Express 2018 eine Vorhersage bestätigt, die drei Jahrzehnte zuvor der US-amerikanische Forscher Stephen Clifford gewagt hatte: Schmelzwasser unter dem Mars-Polen. Den unter dem Südpol nachgewiesenen See wertete DLR-Forscher Tilman Spohn spontan als die vielleicht wichtigste Entdeckung von Mars Express. Auch wenn die Studie inzwischen von manchen Forschern zurückhaltend beurteilt wird, so zeigt sie auf jeden Fall, dass die marsianische Unterwelt mehr Aufmerksamkeit verdient.

Dies würde auch Francesco Salese von der Universität Utrecht unterschreiben. Ein Team um den italienischen Geologen fand nördlich des Mars-Äquators Indizien für ein urzeitliches globales Grundwassersystem. In etwa zwei Dutzend besonders tiefen Kratern hatten die Forscher Geländeformen aufgespürt, wie sie sich typischerweise in der Gegenwart von Wasser ausbilden. Dazu gehören Abflusskanäle, die sich in die Wälle der Krater gegraben haben, und Deltastrukturen, die bei zeitlich schwankenden Pegelständen entstehen.

Entdeckt wurden auch Terrassen in den Kraterwällen, die Forscher als Indiz für ein ehemals stehendes Gewässer deuten. Viele der untersuchten Krater zeigten sogar mehrere dieser Merkmale – und zwar alle in 4000 bis 4500 Meter unter dem Nullniveau des Mars.

Offensichtlich lagen diese sehr tiefen Senken irgendwann unter dem lokalen Grundwasserniveau und liefen deshalb voll. Daraus schließen die Autoren auf ein zusammenhängendes System von Untergrundseen. Mehr noch: Sie glauben, dass diese Seen einst mit dem vermuteten Ozean auf der Nordhalbkugel verbunden waren. Die Existenz eines heute ausgetrockneten Nordmeers wird immer wieder unter Planetologen diskutiert. „Wir gehen davon aus, dass die Seen etwa vor 3,5 Milliarden Jahren existierten, also gleichzeitig wie der Mars-Ozean“, sagt Gian Gabrielle Ori aus Pescara in Italien, der zu Francesco Saleses Team gehört.

Wahrscheinlich wurde die Mars-Oberfläche später von aufquellendem Grundwasser verändert. Das belegt eine Untersuchung am äquatornahen Krater Kotido. Die 44 Kilometer große Senke wurde nach einem Städtchen in Uganda benannt.

„Im Kotido-Krater drang einst Grundwasser in Sedimente ein und verfestigte sie zu typischen Geländeformen“, sagt Mars-Experte Ernst Hauber vom DLR, der an der Kotido-Studie beteiligt war. Gab es darüber hinaus auch das planetenweite Grundwassersystem, das seine Kollegen zu belegen meinten? Hauber ist skeptisch – unter anderem weil die Forscher genaue Datierungen schuldig blieben. Ob das Grundwasser sich tatsächlich gleichzeitig in den weit voneinander entfernten Kratern sammelte, oder ob es sich um eher lokale Phänomene zu ganz unterschiedlichen Zeiten handelt, ist aus seiner Sicht offen.

Die Unterwelt unseres Planetennachbarn gibt anscheinend nur widerwillig ihre Geheimnisse preis. Hauber und seine Kollegen warten jetzt gespannt auf die Bohrungen des Rovers Rosalind Franklin, des ersten europäischen Mars-Mobils. Immerhin zwei Meter tief soll dessen Gestänge in den Mars-Boden dringen und die Wände des Bohrlochs durch ein beleuchtetes kleines Saphir-Fenster in Augenschein nehmen. Zudem sollen die Bodenschichten auf ihre Minerale und eventuelle Biosignaturen untersucht werden. Der kürzlich aktualisierte Zeitplan sieht eine Landung im April oder im Juli 2023 vor.