Mars könnte doch einen festen Innenkern besitzen

Bisher deutete alles darauf hin, dass unser Nachbarplanet Mars einen vollständig flüssigen Kern besitzt. Doch seismische Daten der NASA-Landesonde Mars InSight zeichnen nun ein anderes Bild. Mithilfe neuer Analysemethoden haben Forschende bei den von der Sonde aufgezeichneten Wellen von Marsbeben einige Auffälligkeiten entdeckt. Sie deuten auf eine Strukturgrenze und Dichteunterschiede innerhalb des Marskerns hin. Dies legt nahe, dass der Rote Planet doch einen festen Innenkern besitzt – ähnlich wie die Erde. Dieser Innenkern des Mars ist demnach rund 1200 Kilometer groß und macht rund 18 Prozent des Marsradius aus. Die seismischen Daten erlauben auch erste Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Innenkerns. Demnach muss der innere Marskern mehr leichtere Elemente wie Schwefel, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten als der Innenkern der Erde. Dies könnte seine Dichte und das Auskristallisieren unter den Bedingungen des Marsinneren erklären, wie die Planetenforscher berichten.

Obwohl der Mars unser Nachbarplanet ist, waren viele Fragen zu seinem inneren Aufbau lange ungeklärt: Ist er auch in Bezug auf sein Innenleben ein kleinerer Bruder der Erde? Oder unterscheidet sich seine innere Schichtung von der unseres Planeten? Erste Antworten lieferte erst die Landung der NASA-Sonde Mars InSight auf dem Roten Planeten im November 2018. Sie brachte ein Seismometer auf den Mars, das in den folgenden vier Jahren die seismischen Daten von mehr als 1300 Marsbeben aufzeichnete. Aus Laufzeit und Form dieser Wellen konnten Planetenforscher wertvolle Informationen zur Beschaffenheit, Dichte und Temperatur des Marsinneren gewinnen. Die Daten enthüllten unter anderem, dass die Marskruste dicker ist als die irdische, dafür fehlte dem Marsmantel eine Entsprechung zum unteren Erdmantel. An der Kern-Mantelgrenze gibt es zudem wahrscheinlich eine dünne Schicht aus flüssigem Silikatgestein. Der Kern des Mars ist rund 1800 Kilometer groß und deutlich leichter und weniger dicht als der Erdkern. Der größte Unterschied jedoch: Den ersten Auswertungen zufolge besitzt der Mars keinen festen, auskristallisierten Innenkern, er ist vorwiegend flüssig – so der bisherige Stand der Forschung.

Schnelle Wellen und eine zusätzliche Reflexion

Um diese Annahme genauer zu überprüfen, haben nun Forschende um Huixing Bi von der Universität von Hefei in China die seismischen Daten von Mars InSight noch einmal einer genaueren Analyse unterzogen. Dafür werteten sie die Primärwellen von 23 niederfrequenten Marsbeben aus, die das tiefe Innere des Planeten passiert hatten, bevor sie im Seismometer der Marssonde ankamen. Das Team nutzte für seine Analyse der Laufzeiten und Amplituden eine Methode, die sogenannte Seismic Array Analysis, die normalerweise verwendet wird, um die Daten mehrerer Messstationen miteinander zu kombinieren. Weil es auf dem Mars mit Mars InSight nur eine Messstation gab, wandelten Bi und seine Kollegen diese Analysen so ab, dass sie damit die Merkmale der verschiedenen Beben in Form sogenannter Vespagramme vergleichend analysieren konnten. Dabei zeigte sich: Die an der gegenüberliegenden Grenze des Marskerns reflektierten Bebenwellen trafen am Seismometer der Marssonde rund 50 bis 200 Sekunden früher ein als für einen flüssigen Kern erwartet.

„Dieses signifikant frühere Eintreffen der PKKP-Wellen deutet auf schnellere Laufzeiten im Zentrum des Kerns hin“, erklärt das Team. Ihren Berechnungen zufolge durchquerten die seismischen Wellen den zentralen Teil des Marskerns rund 0,25 Kilometer pro Sekunde schneller als dessen äußere Bereiche. „Ein so steiler Geschwindigkeitsgradient ist mit einem rein flüssigen Kern schwer zu erreichen“, schreiben Bi und seine Kollegen. Sie identifizierten zudem einige Bebenwellen, die offenbar von einer Strukturgrenze im Inneren des Marskerns zurückgeworfen worden waren. Eine solche PKiKP-Phase gilt als Indikator für die Existenz eines inneren festen Kerns, an dessen Grenze die seismischen Wellen reflektiert werden. „Dies wurde zuvor schon bei Erde und Mond demonstriert“, erklären die Forschenden. Sie sehen in den PKiKP-Wellen der Marsdaten daher ein starkes Indiz für die Existenz eines festen Innenkerns auch beim Roten Planeten. Gestützt wird dies durch Amplitudenvergleiche der seismischen Wellen, die Rückschlüsse auf die Dichte des durchlaufenen Materials erlauben. „Um die beobachteten Amplituden-Unterschiede zwischen PKKP- und PKiKP-Wellen zu erklären, wäre ein Dichtesprung von rund sieben Prozent an der Innenkerngrenze geeignet“, schreibt das Team.

Mehr leichte Elemente im Kern

Zusammengenommen legen die Analysen damit nahe, dass der Mars anders als zuvor angenommen doch einen festen Innenkern besitzen könnte. Dieser müsste einen Radius von rund 613 Kilometer haben. Wie Bi und seine Kollegen erklären, entspricht dies rund 18 Prozent des gesamten Marsradius. Der feste Innenkern des Mars hat damit proportional einen ähnlichen Größenanteil wie der der Erde, der rund 19 Prozent des Erdradius ausmacht. Sollte sich dies bestätigen, wäre der Mars zumindest in Bezug auf seinen Kern doch ein kleinerer Zwillingsbruder der Erde.

Beide Planeten besitzen demnach einen metallischen, auskristallisierten Innenkern, der von einem flüssigen äußeren Kern umgeben ist. Die neuen Analysen liefern auch erste Anhaltspunkte dafür, woraus der Mars-Innenkern besteht. „Unsere Berechnungen deuteten darauf hin, dass ein reiner Eisen-Nickel-Innenkern die beobachteten Merkmale nicht erklären kann“, schreiben Bi und sein Team. Stattdessen muss der Mars-Innenkern einen relativ großen Anteil leichter Elemente enthalten, um den Dichtesprung und das Auskristallisieren zu verursachen. Durch Abgleich mit geodynamischen Modellen ermittelte das Team, dass der Mars-Innenkern rund 12 bis 16 Gewichtsprozent Schwefel, 6,7 bis 9 Prozent Sauerstoff und rund 3,8 Prozent Kohlenstoff enthalten müsste. Eisen und Sauerstoff könnten dann Eisenoxid (FeO) bilden, das im Mars-Innenkern auskristallisiert, wie die Forschenden erklären.

„Diese Entdeckung liefert einen wichtigen Anhaltspunkt für das Verständnis des thermischen und chemischen Zustands des Mars“, konstatieren Bi und seine Kollegen. „Zudem könnte der Zusammenhang zwischen der Entstehung des inneren Kerns und der Entwicklung des marsianischen Magnetfelds neue Einblicke in die Dynamoeffekte auf verschiedenen Planeten geben.“ Denn anders als die Erde besitzt der Mars heute kein globales Magnetfeld mehr. Bisher vermuteten Planetenforscher, dass dies mit dem Fehlen eines festen Innenkerns zusammenhängt. Denn der irdische Magnetdynamo wird durch die Wechselwirkung des um den festen Eisenkern strömenden flüssigen Eisens im äußeren Kern angetrieben. Doch nach Angaben von Bi und seinem Team lässt sich das Versagen des Magnetdynamos auf dem Mars auch mit Innenkern erklären. Sie gehen davon aus, dass die Verteilung der leichteren Elemente in den Kernbereichen, die Art des Auskristallisierens und auch das Tempo der Abkühlung des Marsinneren dafür eine Rolle spielen. Um die Entstehung des Mars-Innenkerns und die Auswirkungen auf das Magnetfeld des Planeten zu verstehen, seien nun weitere Studien nötig.

Quelle: Huixing Bi (Universität Hefei, China) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-025-09361-9

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