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InSight

Von der ETH Zürich aus dem Mars auf den Puls fühlen?

Die unbemannte InSight-Mission der NASA macht es möglich. Sie bringt geophysikalische Instrumente auf den roten Planeten, die es erlauben, sein Inneres zu erforschen. Mit an Bord ist ein Seismometer, um Marsbeben und Meteoriteneinschläge zu registrieren. Mehrere Gruppen der ETH Zürich zeichnen sich für dessen Datenerfassungs- und Steuerungselektronik verantwortlich und werden die damit gewonnen Daten auswerten und interpretieren.

News

11.05.2022

Grösstes Marsbeben seit Beginn der InSight-Mission der NASA beobachtet

Am 4. Mai 2022 entdeckte der InSight-Lander der NASA das stärkste jemals auf einem anderen Planeten beobachtete Beben: ein Ereignis mit einer geschätzten Magnitude von 5. Das stärkste zuvor aufgezeichnete Beben auf dem roten Planeten hatte eine Magnitude von 4.2 und wurde am 25. August 2021 erfasst.

Entdeckt hat das Magnitude-5-Beben ein Doktorand der ETH Zürich, der an dem Tag, an dem die Daten die Erde erreichten, für den Marsbebendienst den Datensatz analysierte. Das Beben erhielt die Bezeichnung S1222a, da es sich am Marstag Sol 1.222 ereignete. Das Beben war aufgrund seiner Grösse leicht zu erkennen, es löste das bei weitem stärkste seit Beginn der Mission aufgezeichnete Signal aus. Dies obwohl es in einer Jahreszeit stattfand, in der fast keine Marsbeben beobachtet werden. Grund sind die starken Winde auf dem Mars, welche die Signale stören.

Ein Beben mit einer Magnitude von 5 hat eine mittlere Stärke im Vergleich zu jenen, die auf der Erde auftreten. Das kürzlich aufgezeichnete Marsbeben liegt aber nahe an der Obergrenze der Magnitude, die Wissenschaftler während der InSight-Mission auf dem Mars zu beobachten hofften. Das Wissenschaftsteam wird das Marsbeben nun genauer analysieren, um nähere Angaben zum Ort des Bebens und der Art seiner Quelle machen zu können sowie Rückschlüsse über das Innere des Mars zu ziehen.

Kurz nach der Aufzeichnung des Ereignisses ging InSight aufgrund anhaltender Energieversorgungsprobleme in den Sicherheitsmodus über. In diesem schaltet das Raumfahrzeug alle Funktionen ausser den absolut notwendigen aus, um Energie zu sparen. Grund dafür ist die zunehmende Staubschicht auf den Sonnenkollektoren des InSight Landers. Es ist daher möglich, dass S1222a eines der allerletzten Ereignisse ist, die InSight aufzeichnete. Wenn man bedenkt, dass bereits über 1’300 Ereignisse katalogisiert wurden, sieht es ganz so aus, als habe sich der Mars die Krönung bis zum Schluss aufgehoben.

InSight ist mit einem hochempfindlichen Seismometer ausgestattet, das vom Centre National d'Études Spatiales (CNES) in Frankreich bereitgestellt wird, sowie mit einem Digitalisierer der ETH Zürich in der Schweiz. Das Team der ETH Zürich koordiniert in enger Zusammenarbeit mit dem Schweizerischen Erdbebendienst auch den Marsbebenbebendienst, der die Daten auf seismische Energie untersucht, Marsbeben beschreibt und den Marsbebenkatalog erstellt.

23.11.2021

Mit seismischer Bodenunruhe drei Milliarden Jahre Marsgeschichte aufdecken

Mit seismischer Bodenunruhe drei  Milliarden Jahre Marsgeschichte  aufdecken

Es gibt zwei Möglichkeiten, um zu ergründen, was sich tief unter unseren Füssen verbirgt: Man kann ein Loch bohren oder mit Hilfe von seismischen Wellen ein Bild des Untergrunds erstellen. In den vergangenen Jahrzehnten haben Seismologen und Seismologinnen Techniken und Analyseverfahren (weiter-)entwickelt, um mittels seismischer Bodenunruhe die Strukturen in den oberflächennahen Schichten des Untergrunds bis mehrere hundert Meter Tiefe abzubilden. Dank den auf der Erde erprobten Technologien gelang dies nun zum allerersten Mal auf einem anderen Planeten. Zum Vorschein kamen drei Milliarden Jahre Marsgeschichte, wie eine kürzlich publizierte Studie in Nature Communications aufzeigt.

Seit die InSight Mission der NASA im November 2018 auf dem Mars landete und ein Seismometer in Betrieb nahm, analysierte der Marsbebendienst unter der Leitung der ETH Zürich und mit Beteiligung des Schweizerischen Erdbebendienstes (SED) regelmässig die eingehenden Daten. Dabei lokalisierten die Forschenden nicht nur zahlreiche Marsbeben, sondern verwendeten diese Daten auch, um Aussagen über den Aufbau des Planeteninneren zu machen. Sie charakterisierten mit diesem Verfahren Kruste, Mantel und Kern, konnten aber keine Aussagen über die oberflächennahen Strukturen machen. Dieser Bereich ist aber von besonderem Interesse, um die geologische Geschichte des Mars zu verstehen.

Die neuste Untersuchung nutzt nicht die Marsbebensignale selbst, um in den Untergrund zu blicken, sondern die ebenfalls erfasste seismische Bodenunruhe zu Zeiten ohne Marsbeben. Auf unserem Planeten ist sie durch die Wogen der Ozeane, den Wind und menschliche Aktivitäten geprägt. In den letzten Jahrzehnten entwickelte der SED Methoden für die Analyse der Bodenunruhe und wendet diese an, um festzustellen, wie die lokale Geologie aufgebaut ist und ob der lokale Untergrund Erdbebenwellen eher abschwächt oder verstärkt. Das ist wichtig, um die Erdbebengefährdung an einem Standort zu bestimmen, aber auch für die Analyse von instabilen Hangrutschzonen in den Bergen oder in Seen.

Auf dem Mars liegt der Ursprung der Bodenunruhe im Wind, der durch Interaktion mit der Marsoberfläche seismische Wellen erzeugt. Die Auswertungen dieser Bodenunruhe erlauben nun erstmals Aufschlüsse über den Marsuntergrund und seine Geschichte in einer Tiefe von wenigen Dutzend bis zweihundert Metern. Im Unterschied zur Erde gab es auf dem Mars nie eine aktive Plattentektonik, seine Gestalt prägen Phasen von aktivem Vulkanismus, die grosse Gebiete mit basaltischen Lava-Plateaus bedeckten. Die neuen Auswertungen verdeutlichen dies. Sie zeigen eine erste etwa drei Meter dicke Schicht aus Sand (Regolith) und eine etwa 20 Meter dicke Schicht mit losem Gestein, die tausende von Meteoriteneinschlägen zerklüftet haben. Darauf folgen zwei Schichten von Lavaströmen, die den Planeten vor 1.7 und 3.6 Milliarden Jahren überzogen haben. Sie werden in einer Tiefe von ungefähr 30 bis 75 Meter von einer sedimentären Schicht durchbrochen. Diese Schichtung, ähnlich einer Torte mit verschiedenen Füllungen, gibt ein ganz spezifisches seismisches Bild ab. Dieses ermöglichte es den Forschenden, die wichtigsten geologischen Ereignisse der letzten 3 Milliarden Jahre in der Geschichte des Mars zum ersten Mal nachzuvollziehen.

Wenn Menschen eines Tages auf dem Mars landen, sollten sie wissen, was sich unter ihren Füssen befindet. Von besonderem Interesse ist die Frage, ob diese oberflächennahen Schichten Wasser enthalten. Die neusten Erkenntnisse zeigen, dass die auf der Erde erprobten Techniken und Verfahren bei der Beantwortung dieser Frage helfen.

Hobiger, M., Hallo, M., Schmelzbach, C. et al. The shallow structure of Mars at the InSight landing site from inversion of ambient vibrations. Nat Commun 12, 6756 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-26957-7

04.07.2022

InSight in the annual report of ETH Zurich

InSight in the annual report of ETH Zurich

The Insight mission and its findings were acknowledged in ETH’s annual report 2021.
You can download the report here.

02.03.2022

InSights into Mars - virtual lecture with live Q&A session

InSights into Mars - virtual lecture with live Q&A session

In his virtual lecture, Dr. Simon Stähler from the Institute of Geophysics explains the most recent findings of the NASA InSight Mission.
Join him for a live Q&A session on 16 March 2022 at 16:00 CET (15.00 UTC).
Please submit your questions in advance to simon.staehler@erdw.ethz.ch

Date: March 16, 2022
Time: 16.00 - 17.00 CET
Language: English
Organization: focusTerra (contact: info_focusterra@erdw.ethz.ch)

23.07.2021

Die Anatomie eines Planeten

Die Anatomie eines Planeten

Forschende der ETH Zürich konnten zusammen mit einem internationalen Team mithilfe seismischer Daten erstmals ins Innere des Mars blicken. Sie haben Kruste, Mantel und Kern vermessen und deren Zusammensetzung eingegrenzt. Die drei resultierenden Artikel erscheinen gleichzeitig im Fachmagazin «Science» als Titelgeschichte.

Seit Anfang 2019 haben Forschende im Rahmen der InSight-Mission Marsbeben aufgezeichnet und ausgewertet. Möglich gemacht hat das ein Seismometer, dessen Datenerfassungs- und Steuerungselektronik an der ETH Zürich entwickelt wurde. Mit Hilfe dieser Daten haben die Forschenden nun Kruste, Mantel und Kern des roten Planeten vermessen – Daten, die helfen werden, die Entstehung und Entwicklung des Planeten und somit auch des ganzen Sonnensystems zu erschliessen.

Mars einst vollständig geschmolzen

Von der Erde weiss man, dass sie aus Schalen aufgebaut ist: Auf eine dünne Kruste aus leichtem, festem Gestein folgen der dicke Erdmantel aus schwerem, zähflüssigem Gestein und darunter der Erdkern, der grösstenteils aus Eisen und Nickel besteht. Bei den terrestrischen Planeten und damit auch beim Mars wurde ein ähnlicher Aufbau vermutet. «Nun bestätigen seismische Daten, dass der Mars einst wohl vollständig geschmolzen war und sich heute in eine Kruste, einen Mantel und einen Kern unterteilt hat, die sich aber von der Erde unterscheiden», sagt Amir Khan, Wissenschaftler am Institut für Geophysik der ETH Zürich und am Physik-Institut der Universität Zürich. Er analysierte zusammen mit seinem ETH-Kollegen Simon Stähler Daten der NASA-Mission InSight, an der die ETH Zürich unter der Leitung von Professor Domenico Giardini beteiligt ist.

Keine Plattentektonik auf dem Mars

Die Forschenden haben herausgefunden, dass die Marskruste unter dem Landeplatz der Sonde in der Nähe des Marsäquators eine Dicke von 15 bis 47 Kilometer hat. Eine solch dünne Kruste muss einen relativ hohen Anteil an radioaktiven Elementen enthalten, was die bisherigen Modelle zur chemischen Zusammensetzung der gesamten Kruste infrage stellt.

Unter der Kruste folgt der Mantel mit der Lithosphäre aus festerem Gestein, die bis in eine Tiefe von 400 bis 600 Kilometern reicht, doppelt so tief wie auf der Erde. Dies könnte daran liegen, dass es auf dem Mars heute nur eine einzige Kontinentalplatte gibt, im Gegensatz zur Erde mit ihren sieben grossen, in Bewegung befindlichen Platten. «Die dicke Lithosphäre passt gut zum Modell vom Mars als ‘One-Plate-Planet’», fasst Khan zusammen.

Die Messungen zeigen zudem, dass der Marsmantel mineralogisch dem oberen Erdmantel gleicht. «So gesehen ist der Marsmantel eine simplere Version des Erdmantels», so Khan. Die Seismologie enthüllt aber auch Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung. Der Marsmantel enthält zum Beispiel viel mehr Eisen als jener der Erde. Wie kompliziert man sich die Schichtung des Marsmantels vorstellen muss, hängt aber auch von der Grösse des darunterliegenden Kerns ab und auch hier gelangten die Forschenden zu neuen Erkenntnissen.  

Der Kern ist flüssig und grösser als erwartet

Der Kernradius beträgt nämlich rund 1840 Kilometer und ist damit gut 200 Kilometer grösser, als man vor 15 Jahren bei der Planung der InSight-Mission aufgrund der geringen Dichte des Planeten vermutet hatte. Die Grösse des Kerns konnte nun mithilfe seismischer Wellen neu kalkuliert werden. «Aus dem jetzt bestimmten Radius können wir die Dichte des Kerns berechnen», erklärt Simon Stähler.

«Ist der Kernradius gross, muss die Dichte des Kerns relativ niedrig sein», so sein Fazit. «Der Kern muss also – neben Eisen und Nickel – auch einen grossen Anteil leichterer Elemente enthalten.» In Frage kommen Schwefel, aber auch Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff, allerdings müsste deren Anteil unerwartet gross sein. Die Forschenden schliessen daraus, dass die Zusammensetzung des gesamten Planeten noch nicht völlig verstanden ist. Die aktuellen Untersuchungen bestätigen jedoch, dass der Kern – wie vermutet – flüssig ist, auch wenn der Mars heute über kein Magnetfeld mehr verfügt.

Mit unterschiedlichen Wellenformen zum Ziel

Die neuen Resultate erzielten die Forschenden durch die Analyse verschiedener seismischer Wellen, die bei Beben entstehen. «Schon früher konnten wir bei den InSight-Daten die unterschiedlichen Wellen sehen und wussten deshalb, wie weit weg von der Sonde diese Bebenherde auf dem Mars waren», sagt Giardini. Um etwas über die innere Struktur von Planeten sagen zu können, braucht es auch Bebenwellen, die an oder unterhalb der Oberfläche oder am Kern reflektiert werden. Nun gelang es den Forschenden erstmals, solche Bebenwellen auf dem Mars zu messen und zu analysieren.

«Die InSight-Mission war eine einmalige Gelegenheit, diese Daten zu erfassen», so Giardini. Der Datenstrom wird in einem Jahr enden, wenn die Solarzellen des Landers nicht mehr genügend Strom produzieren. «Doch wir sind mit der Auswertung aller Daten noch lange nicht zu Ende – der Mars gibt uns noch viele Rätsel auf, vor allem die Frage, ob er sich zur gleichen Zeit und aus demselben Material wie unsere Erde gebildet hat.» Besonders wichtig sei, zu verstehen, wie die innere Dynamik des Mars zum Verlust des aktiven Magnetfeldes und des gesamten Oberflächenwassers führte. «Dies ermöglicht uns, zu erahnen, ob und wie diese Prozesse auf unserem Planeten ablaufen könnten», erklärt Giardini. «Deshalb sind wir auf dem Mars, um seine Anatomie zu untersuchen.»

Literaturhinweis

Khan A et al.: Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data. Science, 373, (6553) p. 434-438.

Stähler S et al.: Seismic detection of the Martian core. Science, 373, (6553) p. 443-448. doi:10.1126/science.abi7730

Knapmeyer-Endrun B et al.: Thickness and structure of the Martian crust from InSight seismic data. Science, 373, (6553) p. 438-443. doi:10.1126/science.abf8966

Weitere Informationen

Informationen zu InSight-Mission

Ausführlicher ETH-News-Artikel: Dank Marsbeben zum Kern

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