PASADENA / LONDON (IT BOLTWISE) – Aus 16 Jahren Funkmessungen von drei Mars-Orbitern leiten Planetenforscher eine deutliche Asymmetrie im Mantel ab. Demnach ist der Mantel unter den südlichen Hochländern um etwa 200 bis 400 Grad Celsius wärmer und zugleich weicher als im Norden. Die Untersuchung stützt sich auf zeitliche Änderungen des Schwerefelds statt auf direkte Temperaturmessungen. Der genaue Auslöser bleibt offen, als Kandidaten gelten unter anderem Einschlagfolgen, Krustendicke und langfristige Mantelprozesse.
Die auffällige Zweiteilung des Mars an der Oberfläche scheint nicht bei der Kruste stehenzubleiben. Aus einer Auswertung von insgesamt 16 Jahren Funkmessungen dreier Orbiter schließen Planetenforscher auf Unterschiede im tieferen Mantel: Unter den südlichen Hochländern reagieren die Gesteinsbereiche dem Modell nach deutlich weicher und wärmer als im Norden. Statt Thermometer-Daten nutzen sie eine Methode, die aus sehr kleinen zeitlichen Änderungen des Schwerefelds Rückschlüsse zieht und damit das Marsinnere gewissermaßen indirekt abtastet.
Den Messhebel liefern dabei Gezeitenkräfte. Weil die Sonne aufgrund der elliptischen Marsbahn und der geneigten Rotationsachse über ein Marsjahr von 687 Tagen unterschiedlich stark am Planeten zieht, verformt sich der Mars minimal und das Schwerefeld ändert sich periodisch. Für eine vollständig kugelsymmetrische Innenstruktur wären nur bestimmte Signalmuster zu erwarten; sobald seitliche Unterschiede im Mantel auftreten, entstehen zusätzlich charakteristische Abweichungen höherer Ordnung. Genau diese feinen Muster trennten die Forschenden dann in der Auswertung von den übrigen Einflüssen.
Im Zentrum steht die sogenannte Gezeitentomografie, bei der Bahnstörungen von Raumsonden genutzt werden, um die räumliche Verteilung elastischer Eigenschaften zu rekonstruieren. Das Team analysierte dafür X-Band-Dopplerdaten von Mars Global Surveyor, Mars Odyssey und Mars Reconnaissance Orbiter, die kleinste Geschwindigkeitsänderungen der Flugbahnen erfassen. Besonders auffällig ist, dass die Komponenten dritten Grades des zeitlich variierenden Schwerefelds teils um rund 300 Prozent von den Erwartungen für ein kugelsymmetrisches Marsmodell abwichen. Inversionsrechnungen der Messdaten passen vor allem dann gut, wenn sich der effektive Schermodul des Mantels zwischen den Hemisphären um mehr als 20 Prozent unterscheidet.
Der Schermodul beschreibt, wie stark Gestein einer Scherverformung widersteht. Auf der langen saisonalen Zeitskala spielt dabei Olivin eine besondere Rolle: Dieses Mantelmineral reagiert besonders empfindlich auf Temperatur. Im Modell entspricht die beobachtete Weichheit im Süden überwiegend einem Temperaturüberschuss von etwa 200 bis 400 Grad Celsius gegenüber dem Norden. Zusammensetzungsunterschiede können zwar ebenfalls zum Signal beitragen, reichen laut Modell aber nicht allein aus; als ergänzende Randbedingung ist im südlichen Mantel eine Eisenanreicherung von bis zu fünf Prozent möglich.
Damit verschiebt sich die Frage von der reinen Geometrie hin zur thermischen und rheologischen Geschichte des Planeten. Teilweise Schmelze wäre bei den höheren Temperaturen zwar denkbar, zwingend notwendig ist sie für die gemessenen Schwerefeldsignale allerdings nicht. In der Studie werden mehrere Szenarien diskutiert, die zusammenpassen könnten: Ein früher gigantischer Einschlag könnte die Marsdichotomie geprägt haben, aber seine Wärme müsste für Milliarden Jahre erhalten bleiben. Auch eine dickere Kruste im Süden wird als möglicher Wärmespeicher diskutiert, weil sie wie eine Isolierschicht wirken und zusätzlich Wärme aus radioaktivem Zerfall stärker im Mantel halten könnte.
Keine der genannten Möglichkeiten erklärt nach Darstellung der Forschenden bislang alle Beobachtungen eindeutig. Deshalb wirkt ein kombiniertes Bild plausibel: Ein Einschlag könnte zunächst Zusammensetzung und Krustendicke beider Hemisphären verändert haben, während spätere Isolation oder großräumige Mantelaufströmungen den südlichen Mantel dann über lange Zeit wärmten. „Wissenschaftler gehen normalerweise davon aus, dass das Innere planetarer Körper im Allgemeinen kugelsymmetrisch ist, aber das ist nicht zwangsläufig so“, sagt Alexander Berne. Die räumliche Übereinstimmung zwischen der Mantelanomalie und der Oberflächengrenze liefert dabei eine zusätzliche Randbedingung für Modelle der Marsgeschichte.
Gleichzeitig zeigt die Untersuchung die Grenzen der aktuellen Datenlage: Direkte Temperaturmessungen aus verschiedenen Regionen fehlen weiterhin. Für künftige Missionen sieht das Team in der Gezeitentomografie jedoch ein Werkzeug, um feiner aufzulösen, wie sich Struktur und Eigenschaften im Planeteninneren über die Zeit verändern. Vor allem gravitationsspezifisch ausgelegte Missionen könnten die Signaltrennung weiter verbessern und damit auch andere Himmelskörper von der Umlaufbahn aus untersuchen – etwa Merkur oder Eismonde wie Ganymed, Io und Enceladus.
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