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Seismischer Durchbruch: Hinweise auf einen festen inneren Kern auf dem Mars
Forscher, die seismische Daten des NASA-Landers InSight analysieren, berichten nun über Hinweise darauf, dass der Mars einen festen inneren Kern hat, umgeben von einem flüssigen äußeren Kern — eine innere Struktur, die der der Erde ähnlicher ist als bisher bestätigt. Die Studie, veröffentlicht in Nature von Huixing Bi an der University of Science and Technology of China (Hefei) und Mitarbeitenden, nutzte verfeinerte Signal-Auswahl und neuartige Datenverarbeitungsmethoden, um ein schwaches seismisches Signal zu extrahieren, das mit einem inneren Kern von etwa 610 km Radius konsistent ist. Diese Ergebnisse vertiefen unser Verständnis der thermischen Entwicklung des Mars, seines frühen Magnetfelds und der Prozesse, die Atmosphäre und Oberfläche des Planeten geprägt haben.
Die Ergebnisse werden Wissenschaftler dabei unterstützen, die Entwicklung des Mars als Planet besser zu verstehen.
Wissenschaftlicher Hintergrund: Kerne, Dynamos und planetarer Schutz
Warum der Kern wichtig ist
Der Kern eines Planeten steuert den Wärmetransport, die innere Konvektion und — über den Dynamo-Mechanismus — das Vorhandensein eines globalen Magnetfeldes. Auf der Erde ist festes Eisen in einem zentralen inneren Kern von einem konvektierenden flüssigen äußeren Kern umgeben. Diese Konvektion, angetrieben durch Wärme und durch Zusammensetzungsänderungen beim Wachstum des inneren Kerns, erzeugt ein Magnetfeld, das geladene Teilchen der Sonne ablenkt und so einen schnellen Atmosphärenverlust verlangsamt.
Spuren in magnetisierten Gesteinen auf dem Mars deuten darauf hin, dass der Planet einst ein globales Magnetfeld besaß. Antike Krustenmagnetisierung sowie ausgedehnte Talnetze und ausgetrocknete Seebecken deuten darauf hin, dass der Mars vor Milliarden von Jahren eine dichtere Atmosphäre und flüssiges Wasser an seiner Oberfläche hatte. Ein heute verlorener magnetischer Schild wird allgemein dafür verantwortlich gemacht, dass die Atmosphäre schrittweise ins All entwich und der Mars zu der dünnen-atmosphärischen, kalten Wüste wurde, die wir heute beobachten.
InSights Beitrag und die Abfolge der Entdeckungen
Der NASA-Lander InSight, der im November 2018 auf dem Mars landete, trug ein hochempfindliches Seismometer, das dafür ausgelegt ist, Marsbeben und andere Bodenbewegungen aufzuzeichnen. Frühe InSight-Ergebnisse zeigten erstmals, dass seismische Wellen den tiefen Innenraum des Mars durchdrangen, und lieferten die erste Detektion sowie Größeneinschränkungen für einen flüssigen Kern. 2021 analysierten Simon Stähler und Kolleginnen und Kollegen das Verhalten seismischer Wellen und modellierten einen flüssigen Kern, der größer und weniger dicht erschien als früher erwartet — ein Kern von etwa 1.800 km Radius, vereinbar mit einem hohen Anteil leichter Elemente (wie Schwefel, Kohlenstoff und Wasserstoff), die Dichte und Schmelztemperatur des Kerns senken.
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Die InSight-Mission landete 2018 auf dem Mars.
Stählers Modell von 2021 schloss die Möglichkeit eines inneren festen Kerns nicht aus; stattdessen fehlte der damals verfügbaren Datenmenge die Signalstärke, um eine Grenze zwischen flüssig und fest im Zentrum des Mars zu identifizieren. Nachfolgende Reanalysen und Verfeinerungen, einschließlich einer Revision 2023 durch Henri Samuels Team, passten die Schätzungen zu Kerngröße und -dichte an und trugen dazu bei, unterschiedliche Evidenzlinien aus Geologie, Geodäsie und Seismologie in Einklang zu bringen.
Methoden und der neue Nachweis
Huixing Bi und Kolleginnen und Kollegen konzentrierten sich auf bestimmte Arten seismischer Ereignisse in Entfernungen von InSight, die die Erkennung von Wellen begünstigen, die an einer inneren Kerngrenze brechen oder reflektieren. Durch die Auswahl einer Teilmenge hochwertigerer Ereignisse und die Anwendung fortgeschrittener Rauschunterdrückungs- und Stacking-Techniken erhöhten die Autoren das Signal-Rausch-Verhältnis für schwache Phasen, die mit seismischen Wellen übereinstimmen, die durch einen festen inneren Kern laufen. Ihre Analyse ergibt ein Best-Fit-Modell mit einem festen inneren Kernradius von etwa 610 km, eingebettet in einen flüssigen äußeren Kern.
Wesentliche chemische Implikationen ergeben sich aus der Kombination von Größen- und Dichteneinschränkungen. Frühere Schätzungen eines sehr niedrigdichten flüssigen Kerns deuteten auf einen erheblichen Anteil leichter Elemente hin. Die Existenz eines inneren festen Kerns impliziert, dass beim Abkühlen des Mars Kristallisation stattfindet, und das Zusammenspiel von Temperatur, Druck und Zusammensetzung steuert, wie und wann die Erstarrung beginnt. Das neue Ergebnis schränkt daher die thermische Geschichte des Kerns und den Bereich plausibler Konzentrationen leichter Elemente ein.
Wettbewerbende Modelle und wissenschaftlicher Fortschritt
Die scheinbare Spannung zwischen einer Interpretation mit vollständig flüssigem Kern und dem Nachweis eines kleinen festen inneren Kerns veranschaulicht normalen wissenschaftlichen Fortschritt: Aufeinanderfolgende Studien verfeinern Modelle, wenn mehr Daten und bessere Methoden verfügbar werden. Stählers erste Detektion stellte fest, dass der Kern des Mars insgesamt überwiegend flüssig ist; Bis' Arbeit legt nun nahe, dass im sehr Zentrum eine feste Phase existiert. Diese Ergebnisse schließen sich nicht gegenseitig aus, sondern spiegeln vielmehr die steigende Empfindlichkeit seismischer Analysen und die Bedeutung von Ereignisauswahl, Distanzgeometrie und Rauschbehandlung bei der Gewinnung subtiler Signale wider.
Forscherinnen und Forscher werden das InSight-Datenset weiterhin reanalysieren und geologische, geodätische und elektromagnetische Einschränkungen integrieren, um zu prüfen, ob ein 610-km-Innenkern mit allen verfügbaren Beobachtungen vereinbar ist, einschließlich Kerngröße, mittlerer Dichte und krustaler magnetischer Anomalien. Unabhängige Bestätigung könnte von zukünftigen Missionen kommen, die Seismometer, Magnetometer oder geophysikalische Instrumente an anderen Orten des Mars einsetzen.
Folgen für Mars' Magnetfeld, Atmosphäre und Habitabilität
Ein Mars mit einem inneren festen Kern erhöht die Plausibilität, dass er einst einen Kerndynamo ähnlich dem der Erde erzeugt hat. Auf der Erde setzt die Erstarrung des inneren Kerns latente Wärme und leichte Elemente frei, die Konvektionsbewegungen im äußeren flüssigen Kern aufrechterhalten und über geologische Zeiträume den Dynamo antreiben können. Wenn der Mars eine vergleichbare Abfolge von innerem Kernwachstum und Außenkernkonvektion durchlief, könnte ein planetarisches Magnetfeld lange genug existiert haben, um eine dichtere Atmosphäre und Oberflächenwasser in der frühen Marsgeschichte zu schützen.
Die heutige Existenz eines inneren Kerns bedeutet jedoch nicht automatisch, dass der antike Dynamo so lange andauerte wie der der Erde. Der Mars ist kleiner, kühlte schneller ab, und seine Bestände an wärmeerzeugenden Elementen sowie die Kernzusammensetzung unterscheiden sich wahrscheinlich. Zeitpunkt, Intensität und Dauer eines möglichen martianischen Dynamos hängen von diesen Variablen ab. Festzustellen, wann der Dynamo erlosch, ist entscheidend, um die innere Entwicklung mit dem Zeitpunkt des Atmosphärenverlusts zu verknüpfen, wie ihn Missionen wie MAVEN und die Wasserzyklus-Studien des ESA-Orbiters ExoMars Trace Gas Orbiter messen.
Verwandte Technologien und zukünftige Aussichten
Fortschritte in der Verarbeitung seismischer Daten, in Instrumentensensitivität und beim Missionsdesign sind zentral für diese Entdeckungen. Zu den Techniken, mit denen ein schwaches inneres Kernsignal aus dem InSight-Rauschen gewonnen wurde, zählen sorgfältige Ereignisauswahl, Wellenform-Stacking und statistische Methoden zur Isolierung erwarteter seismischer Phasen. Zukünftige Lander mit Breitband-Seismometern an mehreren Standorten würden die globale Abbildung von Marsmantel und -kern erheblich verbessern. Ergänzende Ansätze — verbesserte Schwere- und Rotationsmessungen, elektromagnetische Sondierung und Laborexperimente zur Bestimmung der Eigenschaften von Eisenlegierungen bei martianischen Kerndrücken — werden die Zusammensetzungs- und Thermomodelle verfeinern.
Darüber hinaus würden vorgeschlagene und geplante Missionen, die Proben zurückbringen, die Krustenmagnetik detaillierter kartieren oder langlebige geophysikalische Netzwerke einsetzen, helfen, verbleibende Lücken zu schließen. Zusammen werden diese Technologien und Missionen den Zeitpunkt des Magnetfeld-Zusammenbruchs, die Mechanismen des Atmosphärenverlusts und das frühe Klima sowie die Habitabilität des Planeten besser eingrenzen.
Expert Insight
Dr. Elena Morales, Planeten-Geophysikerin (fiktiv), kommentiert: 'Dieser neue Nachweis eines inneren Kerns ist ein großer Schritt. Er zeigt, wie stark wir seismische Datensätze mit sorgfältiger Auswahl und moderner Signalverarbeitung weiter ausreizen können. Falls ein innerer Kern existiert, liefert er einen konkreten Mechanismus dafür, wie der Mars einst einen Dynamo angetrieben haben könnte. Die Herausforderung besteht jetzt darin, Seismologie mit Geochemie und Atmosphärenforschung zu integrieren, um eine konsistente Timeline dafür zu erstellen, wann der magnetische Schutz nachließ und wie schnell die Atmosphäre erodierte.'
Ihre Einschätzung spiegelt eine verbreitete Sicht in der Planetenwissenschaft wider: Einzelne Datensätze liefern selten endgültige Antworten, können aber die Bandbreite plausibler Modelle entscheidend einschränken und gezielte Folgebeobachtungen motivieren.
Fazit
Seismische Analysen der InSight-Mission, verfeinert und mit neuen Methoden erneut ausgewertet, deuten nun auf einen Mars mit einem erdähnlich geschichteten Kern hin: ein fester innerer Kern von etwa 610 km Radius, umgeben von einem flüssigen äußeren Kern. Diese Struktur macht es wahrscheinlicher, dass der Mars einst einen Kerndynamo erzeugte, der wiederum einen magnetischen Schild bildete und half, eine dichtere, wärmere frühe Atmosphäre zu erhalten, die flüssiges Wasser begünstigte. Das Ergebnis unterstreicht den Wert langfristiger, qualitativ hochwertiger seismischer Beobachtungen und die fortgesetzte Neubewertung von Missionsdaten, während Analysetechniken besser werden. Zukünftige geophysikalische Messungen und koordinierte Studien in den Bereichen Seismologie, Magnetismus, Geochemie und Atmosphärenwissenschaft sind notwendig, um die innere Entwicklung des Mars, sein verlorenes Magnetfeld und die planetaren Prozesse, die seine Habitabilität prägten, vollständig zu rekonstruieren.
Quelle: scitechdaily
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