Jeden Abend, eine Stunde vor Sonnenuntergang, wird es ruhig in der Region Elysium Planitia. Dann schlägt die Stunde von «Seis». Das Seismic Experiment for Interior Structure ist ein empfindliches Ohr, mit dem Wissenschaftler im Rahmen der Insight-Mission der US-Weltraumbehörde Nasa den Pulsschlag des Mars messen – ähnlich wie ein Arzt mit dem Stethoskop in einen Patienten hineinhört. Solange tagsüber der oft stürmische Wind Staubteufel tanzen lässt, verursachen Erschütterungen ein Rauschen im Detektor. Die feineren seismischen Signale gehen darin unter. Nur in den Abendstunden sind die Bedingungen für Seis ideal.

Die Daten des Seismometers zeigen, dass der Mars viel häufiger vibriert als erwartet. Erschüttert wird aber noch etwas ganz anderes: das bisherige Verständnis vom Roten Planeten. «Vor der Landung von Insight haben wir rund 2500 Modelle zum Innenleben des Mars gesammelt, zur Struktur, zu den physikalischen Eigenschaften und zur Dichte des Planeten», sagt Domenico Giardini, Professor für Seis­mologie und Geodynamik an der ETH Zürich. «Wissen Sie, wie viele dieser 2500 Modelle heute noch gültig sind?» Die Antwort gibt der Wissenschaftler gleich selber: «Kein einziges.» Die Daten von Seis haben alle bisherigen Hypothesen zum detaillierten Innenleben des Mars über den Haufen geworfen.

Niemand wusste, wie viele Marsbeben es gibt

In insgesamt sechs Fachartikeln, erschienen in «Nature Geo­science» und «Nature Communications», berichten Wissenschaftler über die von Insight ge­wonnenen Erkenntnisse. Die Forscher um Giardini von der ETH Zürich haben die Elektronik für das Seismometer geliefert, das Herzstück der Mission. An der ETH ist auch der Mars­bebendienst: Hier laufen täglich die Messdaten ein, werden in Zusammenarbeit mit dem Schweizerischen Erdbebendienst an der ETH interpretiert, katalogisiert und weltweit Forschergruppen zur Verfügung gestellt.

Vor 15 Monaten, am 26.November 2018, ist Insight nahe am Marsäquator gelandet. 70 Marstage danach legte der Erdbebensensor Seis sein Ohr auf den Marsboden. Wie die ETH berichtet, hat der kuppelförmige Detektor mittlerweile rund 450 Marsbeben registriert. Im Detail analysiert und in den aktuellen Studien berücksichtigt sind allerdings nur 174 Erschütterungen, die sich bis Ende September 2019 ereigneten.

Dass es auf dem Mars Beben gibt, konnte anhand von früheren Missionen nur vermutet werden. Niemand wusste, wie viele es wirklich sind und wo genau sie entstehen.

Zwischen Mond und Erde

In den Daten konnten die ­Forscher zwei Marsbebentypen erkennen. Das waren erstens 150 eher schwache Beben mit hochfrequenten Signalen. Deren Ursprung liegt in geringer Tiefe in der Kruste des Mars. Diese Beben werden in der Kruste regelrecht gefangen und pflanzen sich nahezu ungedämpft fort. Das ist ähnlich wie in der Kruste des Mondes, aber ganz anders als auf der Erde, wo diese hochfrequenten Signale durch die vielen ­tektonischen Brüche in der Kruste stark gedämpft werden.

Aus der Charakteristik dieser Signale können die Forscher auf den Wassergehalt in der Kruste schliessen – eine wichtige Information für die potenzielle künftige Besiedlung des Roten Planeten. Auf dem Mond, wo in der Kruste kein Wasser vorhanden ist, werden die Wellen stark ­gestört und kommen aus unterschiedlichen Richtungen am ­Detektor an. Auf der Erde, mit hohem Wassergehalt im Untergrundgestein, ist das anders. «Der Mars liegt in dieser Beziehung zwischen Mond und Erde», sagt Giardini. «Wenn die Bebenwellen ankommen, sehen sie eher aus wie die auf der Erde. Den genauen Wassergehalt der Marskruste kennen wir aber noch nicht.»

«Die Mineralogen müssen ihre Modelle anpassen.»

Domenico Giardini, Professor für Seis­mologie und Geodynamik

Die zweite Erdbebenart besitzt eine geringere Schwingungsfrequenz, ist stärker und kommt aus dem tiefer liegenden Mantel, der Lithosphäre. 24 derartige Ereignisse mit einer Magnitude zwischen drei und vier flossen in die Studien ein. Mittlerweile hat Seis rund 40 solche Erschütterungen registriert. Auf der Erde sind Beben mit dieser Magnitude durchaus spürbar. Laut Giardini könnten auf dem Mars Beben bis etwa Magnitude 5,2 auftreten.

Auch diese Beben im Mantel haben die Forscher überrascht. Aus einer Mantelregion in 1500 bis 3000 Kilometer Entfernung von Insight kommen nur sehr kleine sogenannte S-Wellen an. Das sind Erdbebenwellen, die quer zur Ausbreitungsrichtung schwingen. S-Wellen aus noch grösserer Entfernung erreichen Seis jedoch wieder vollständig.

Das zeigt, dass in mittlerer Tiefe im Mantel eine Region existiert, die S-Wellen stark ablenkt, eine sogenannte Schattenzone. Entsprechende Eigenschaften hat teilweise geschmolzenes Gestein. Insbesondere der Ort der vermuteten Schattenzone wirft alle bisherigen Modelle vom Innenleben des Mars über den Haufen. «Die Mineralogen müssen ihre Modelle anpassen», sagt Giardini.

Die Masse grosser Vulkane ist Ursache der Marsbeben

Jetzt, wo die seismische Charakteristik von Kruste und Mantel schon recht gut bekannt ist, können sich die Forscher an den nächsten Schritt heranwagen: die Charakteristik des Kerns im Zentrum des Planeten. Von dort reflektierte Erdbebenwellen liefern Informationen zu dessen Eigenschaften.

Über die Ursache der Mars­beben gab es eine grosse Debatte unter den Experten. Das eine Lager war der Ansicht, die Erschütterungen würden allein durch das gemächliche Abkühlen und Zusammenziehen des Himmelskörpers verursacht. Das andere Lager vermutete, dass ­aktive Bruchzonen Quelle der Beben sind. Das hat sich jetzt geklärt. «Die stärkeren Erdbeben, die wir lokalisieren konnten, stammen von einem tektonischen Grabensystem in der ­Region Cerberus Fossae», sagt Giardini. Diese Region ist etwa 1500 Kilometer von Insight entfernt. Das bedeutet, dass sich auf dem Mars tektonische Spannungen in Form von Beben entladen, ähnlich wie auf der Erde.

Grösste Herausforderung: Keine Astronauten vor Ort

Im Gegensatz zur Erde gibt es auf dem Mars jedoch keine Kontinentalplatten, die umherdriften und tektonische Spannungen aufbauen. Vielmehr bilden sich die tektonischen Spannungen in der Region Cerberus Fossae durch die Masse des grössten Vulkans der Gegend, des Elysium Mons, der sich 12,5 Kilometer über die Umgebung erhebt. «Das gibt uns ein völlig neues Bild, wie sich die Kruste und die darunter liegende Lithosphäre verhalten», sagt Giardini.

Die Forscher haben auch begonnen, die gesamte auf dem Mars durch Beben freigesetzte Energie zu bestimmen. Diese liegt zwischen jener der Erde und jener des Mondes und entspricht in etwa den ruhigeren Gegenden auf der Erde, etwa auf stabilen Kontinentalplatten.

Projekt um zwei Jahre verlängern

Die grösste Herausforderung für die Insight-Mission war laut Giardini die Tatsache, dass ­keine Astronauten vor Ort waren. «Die Apollo-Astronauten fuhren mit einem Mondrover herum und ­installierten die Seismometer», sagt Giardini. «Die stiegen von ihrem Gefährt, nahmen eine Schaufel, gruben ein Loch und platzierten das Seismometer samt Kabeln im Untergrund. In einer Stunde war alles erledigt.»

Das Insight-Team benötigte zwei Monate, um Seis mit dem Roboterarm zu platzieren, das mehrlagige Flachbandkabel blieb ungeschützt auf dem Boden ­liegen, wo es im Laufe des Tages einer Temperaturdifferenz von rund 100 Grad ausgesetzt ist. Mehrmals am Tag «wackelt» das Kabel aufgrund von thermischen Effekten, neben dem Wind eine weitere Störquelle für die ­Messungen.

Eigentlich soll die Insight-Mission Ende 2020 auslaufen. «Aber wir brauchen viel mehr Daten, um die Seismizität und die interne Dynamik des Roten Planeten zu verstehen. Daher verhandeln wir derzeit mit der Nasa, dass die Mission um zwei Jahre verlängert wird», sagt ­Giardini. «Wir würden gerne mithilfe der Schaufel von Insight versuchen, das Kabel von Seis zu vergraben. Das würde das Rauschen reduzieren, und wir könnten noch mehr und noch feinere Erdbebenwellen messen.»

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