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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

24.02.2020

Bebenaktivität auf dem Mars

Bebenaktivität auf dem Mars

Mars ist seismisch aktiv. Das zeigen erste wissenschaftliche Analysen von Forschenden der ETH Zürich und ihren Partnern fünfzehn Monate nach der erfolgreichen Landung der NASA-InSight-Mission auf dem Planeten. Die aufgezeichneten Daten ermöglichen es, das Marsinnere näher zu bestimmen und erfüllen damit ein wichtiges Ziel der InSight-Mission.

Am 26. November 2018 setzte der InSight-Lander der NASA in der Region Elysium Planitia erfolgreich auf dem Mars auf. Siebzig Marstage später begann das Seismometer «SEIS» der Mission, Erschütterungen des Planeten aufzuzeichnen. Ein Team von Forschenden und Ingenieuren der ETH Zürich unter der Leitung von ETH-Professor Domenico Giardini hat die Steuerelektronik für SEIS entwickelt und ist für den Marsbebendienst verantwortlich. Letzterer ist in Zusammenarbeit mit dem Schweizerischen Erdbebendienst an der ETH Zürich für die tägliche Interpretation der vom Mars gesendeten Daten zuständig.

Nun hat die Zeitschrift Nature Geoscience eine Reihe von Artikeln veröffentlicht, welche über die Ergebnisse der Mission bis Ende September 2019 auf dem Mars berichten. In diesem Zeitraum hat InSight 174 Ereignisse aufgezeichnet. Zwischenzeitlich wurden die Messungen fortgesetzt und insgesamt über 450 Marsbeben beobachtet, die noch nicht alle detailliert ausgewertet werden konnten. Das entspricht im Durchschnitt etwa einem Ereignis pro Tag. Die Daten ermöglichen den Forschenden festzustellen, wie sich seismische Wellen durch den Planeten ausbreiten. Ähnlich wie Röntgenstrahlen durchdringen sie das Planenteninnere und machen dessen Beschaffenheit sichtbar. Vor der Landung von InSight hatten Forschende ein breites Spektrum an Modellen entwickelt, die aufzeigen, wie sich die innere Struktur des Planeten möglicherweise entwickelt hat. Um die Wellenausbreitung für mehr als 100 Modelle zu berechnen, nutzten die Forschenden des Instituts für Geophysik den CSCS Supercomputer “Piz Daint”. Die aufgezeichneten Marsbeben erlauben es nun bereits nach wenigen Monaten besser zu verstehen, wie der Planet aufgebaut ist und räumen bisher bestehende Ungewissheiten aus.

Marsbeben ähneln Erdbeben, haben in der Regel aber kleinere Magnituden. Die 174 in den Artikeln beschriebenen Marsbeben lassen sich in zwei Kategorien einteilen. Zur ersten gehören 24, niederfrequente Erschütterungen mit Magnituden zwischen 3 und 4, deren Wellen sich durch den Marsmantel ausbreiten. Zur zweiten gehören 150 Ereignisse mit vergleichsweise kleineren Magnituden, geringerer Herdtiefe und Wellen mit höherer Frequenz, die in der Kruste des Mars gefangen bleiben. «Marsbeben weisen ähnliche Eigenschaften auf, wie sie bereits während der Apollo-Ära auf dem Mond beobachtet wurden. Sie dauern lange (10 bis 20 Minuten), da ihre Wellen aufgrund von Eigenheiten der Marskruste stark streuen», erläutert ETH-Professor Giardini. In der Regel, so Giardini, ist es schwierig, Marsbebendaten zu interpretieren. In den meisten Fällen kann man nur die Entfernung bestimmen, aber nicht die Richtung, aus der die Wellen kommen.

InSight leitet eine neue Ära der planetaren Seismologie ein. Die Leistungsfähigkeit des SEIS hat bislang die Erwartungen übertroffen. Insbesondere in Anbetracht der rauen Bedingungen auf dem Mars, die jeden Tag von Temperaturen zwischen minus 80 und 0 Grad Celsius und von starken Winden gekennzeichnet sind. Vor allem tagsüber schütteln diese Winde den InSight-Lander und seine Instrumente, was zu vielen Störgeräuschen führt. Bei Sonnenuntergang legen sich aber die Winde und ermöglichen es, die bisher leisesten seismischen Daten des gesamten Sonnensystems aufzuzeichnen. Die von SEIS erkannten Beben haben sich daher vorwiegend in den ruhigen Nachstunden ereignet. Die schwierigen Bedingungen machen es zudem herausfordernd, seismische Ereignisse von anderen Signalen zu unterscheiden, die von Bewegungen des Landers, von anderen Instrumenten oder von der Atmosphäre stammen.

SEIS erfasst auch das Hämmern der Wärmeflusssonde HP3 (ein weiteres InSight-Experiment) sowie vorbeiziehende Wirbelwinde (Staubteufel). Dies ermöglicht es, die physikalischen Eigenschaften der unmittelbar unter SEIS liegenden Bodenschichten abzubilden. Daher ist bekannt, dass SEIS auf einer dünnen, sandigen Schicht von wenigen Metern Tiefe gelandet ist, die in Mitte eines 20 Meter grossen alten Einschlagkraters liegt. In grösserer Tiefe weist die Marskruste Eigenschaften auf, die mit den kristallinen Grundgebirgen der Erde vergleichbar sind. Sie scheint aber stärker zerklüftet zu sein. Die Art und Weise wie sich die seismischen Wellen ausbreiten legt zudem nahe, dass der obere Mantel diese im Vergleich zum unteren Mantel stärker dämpft.

Bisher wurden in der Nähe der Station keine Marsbeben aufgezeichnet, was darauf hindeutet, dass InSight in einer seismisch eher ruhigen Region des Mars gelandet ist. Die drei grössten Ereignisse ereigneten sich in der Region Cerberus Fossae, die etwa 1’500 km entfernt liegt. Dabei handelt es sich um ein tektonisches Grabensystem, das durch das Gewicht des Elysium Mons, des grössten Vulkans in der Elysium-Planitia-Region, verursacht wurde. Es besteht daher die starke Vermutung, dass die seismische Aktivität auf dem Mars nicht nur eine Folge der Abkühlung und damit des Schrumpfens des Planeten ist, sondern auch durch tektonische Spannungen verursacht wird. Die gesamte auf dem Mars freigesetzte seismische Energie liegt zwischen derjenigen der Erde und derjenigen des Mondes.

In Verbindung mit anderen Messungen sind die mit SEIS gewonnen Daten zudem sehr nützlich, um meteorologische Prozesse auf dem Mars besser zu verstehen. Das Seismometer erfasst nicht nur Winde, sondern reagiert auch auf atmosphärischen Druck, was es erlaubt, die für den Mars charakteristischen meteorologischen Phänomene zu bestimmen. Dazu gehören unter anderem die nachmittäglich am Lander vorbeiziehenden Wirbelwinde.

Detaillierte Informationen zu den seismischen Auswertungen sowie weitere Erkenntnisse der InSight-Mission finden Sie in den kürzlich in Nature Geosciences veröffentlichten Artikel: The seismicity of Mars, Crustal and time-varying magnetic fields at the InSight landing site on Mars, The atmosphere of Mars as observed by InSight, Initial results from the InSight mission on Mars

Weitere Informationen über die InSight-Mission der NASA finden Sie auf https://mars.nasa.gov/insight/

01.10.2019

Neues ETH-Projekt zur Erforschung des Marsinneren

Neues ETH-Projekt zur Erforschung des Marsinneren

Ab 2020 untersucht und charakterisiert das Projekt Planet MARS die innere Struktur und Dynamik des Mars mit Hilfe eines breiten Spektrums von Beobachtungen sowie theoretischen, numerischen und experimentellen Ansätzen. Dieses ETH-geförderte Projekt baut auf der erfolgreichen Landung des NASA InSight-Lander und dessen Erfassung von Daten auf dem Mars auf. Planet MARS zielt darauf ab, die folgenden Ziele zu erreichen:

  • Bestimmen der Kruste, des Mantels und der Kernstruktur des Mars unter Verwendung von passiven und aktiven InSight-Daten
  • Schnittstelle zu hochdruckmineralphysikalischen Experimenten und thermodynamischen Modellierungsmethoden zur weiteren Einschränkung von Struktur und Evolution
  • Bestimmung der Stabilität des Magma-Reservoirs auf dem Mars unter Verwendung petrologischer Daten von Marsmeteoriten und thermomechanischer Modellierung als Zugang zu Differenzierungs- und Krustenbildungsprozessen
  • Nutzung der Einschränkungen aus Experimenten zur Kristallisierung des Magma-Ozeans als Mittel zum Verständnis der Evolution und der gegenwärtigen Struktur
  • Bestimmung der Differenzierungs- und Akkretionsgeschichte des Mars aus geochemischen Messungen von Spuren und Isotopen

In Anbetracht des Umfangs und der Breite der wissenschaftlichen Herausforderung ist Planet MARS ein integrierter, vollumfassender Ansatz, der Explorationsgeophysiker, Geodynamiker, experimentelle Petrologen, Mineralphysiker, Vulkanologen, Geochemiker sowie numerische und beobachtende Seismologen in einem einzigartigen kollaborativen Rahmen vereint. Die durchzuführende Forschung ist eine interdisziplinäre Arbeit, an der neun Gruppen der ETH Zürich beteiligt sind.

Sieben Doktorandenstellen bei Planet MARS

Für Planet MARS hat das Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich sieben Doktoranden ernannt, die sich mit einem breiten Spektrum von Themen auf dem Mars befassen. Sie werden die folgenden Teilprojekte abdecken:

  1. Single-station seismology on Mars (J. Clinton)
  2. Magma reservoirs on Mars: Controls on differentiation processes and crust formation (O. Bachmann)
  3. Elasticity of a hydrous Martian mantle (M. Murakami)
  4. Fractional crystallization of the Martian magma ocean (M. Schmidt)
  5. The accretion history of Mars (M. Schönbächler)
  6. Seismic resolution of the Martian crust (S. Stähler)
  7. Joint inversion of geophysical data for Martian mantle and core structure (A. Khan, J. Noir)

Mehr über das Projekt erfahren Sie hier.

19.07.2019

Marsbeben – der Stein kommt ins Rollen

Marsbeben – der Stein kommt ins Rollen

Fünfzig Jahre nachdem die Apollo-11-Astronauten das erste Seismometer auf der Mondoberfläche platzierten, liefert die NASA-InSight-Mission seismische Daten, die es Forschern ermöglichen, Marsbeben mit Mond- und Erdbeben zu vergleichen.

Der Stein kam im wahrsten Sinne des Wortes ins Rollen, als die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Marsbebendienstes im Erdbebensimulator der ETH Zürich zum ersten Mal Marsbeben erlebbar machten. Die Forschenden hatten Echtdaten von Marsbeben hochgeladen, die am Marstag bzw. Sol 128 und 173 der Mars-Mission InSight aufgezeichnet worden waren. Die Marsbeben hatte das Seismometer SEIS registriert, dessen hochempfindliche Elektronik am Labor für Raumfahrtelektronik und -instrumente der ETH entwickelt worden war.

Schauen Sie sich das Video dazu an!

Zwei Arten von Marsbeben

SEIS ist das wohl empfindlichste je verwendete Seismometer. Es ist in der Lage, selbst schwächste Erschütterungen auf dem Mars zu erkennen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mussten die Signale der Marsbeben 10-millionenfach verstärken, damit die Forschenden die schwachen und entfernten Beben im Erdbebensimulator überhaupt wahrnehmen und sie mit entsprechend verstärkten Mond- und Erdbeben vergleichen zu können.

«Wir beobachten momentan zwei Arten von Marsbeben», sagt Simon Stähler. «Das erste Beben war eines mit hoher Frequenz, das einem Mondbeben ähnlicher ist als erwartet. Das zweite Beben hatte eine viel niedrigere Frequenz, was unserer Ansicht nach mit der Entfernung zum Epizentrum zusammenhängen könnte. Verglichen mit Erdbeben dauern beide Arten von Marsbeben länger.»

Erd-, Mond- und Marsbeben

Während Erdbeben normalerweise zwischen mehreren Sekunden bis zu einigen Minuten andauern, können Mondbeben bis zu einer Stunde oder länger dauern. Die Stärke des seismischen Signals hängt von der Entfernung und von Unterschieden in den geologischen Strukturen ab. Vergleicht man die Oberflächen von Erde und Mond, stellt man überrascht fest, dass die Erdkruste homogener ist als jene des Mondes. Als Folge der Meteoriteneinschläge über Milliarden von Jahren hinweg ist die Mondkruste gebrochen. Zudem gibt es auf dem Mond keinen Prozess, der das Gestein «zusammenschweisst». Auf der Erde hingegen verschmelzen Gesteinsspalten durch Vulkanismus, Erwärmung im Inneren, Plattentektonik sowie Erosion und Ablagerung durch Wasser und Wind. Dadurch entsteht eine relativ unversehrte und geschichtete Kruste, die Spuren von Meteoriteneinschlägen schnell verschwinden lässt.

«Die heterogene Mondkruste führt zu einer Streuung der seismischen Wellen, ähnlich einem nachhallenden Echo, das lautes Rufen in einer felsigen Berglandschaft erzeugen kann», erklärt John Clinton, der den Marsbebendienst an der ETH Zürich leitet. Im Vergleich dazu sind Erdkruste und -mantel für seismische Wellen transparent – etwa so wie eine weite, offene Landschaft für Schallwellen. Während seismische Sensoren auf der Erde Erdbebensignale deutlich «hören», registrieren seismische Sensoren auf dem Mond eine Unmenge von Echos, was zu einer Verzerrung des Signals führt. Dies macht es sehr schwierig, nur schon den Beginn des Signals zu ermitteln. Auch wenn die Erdbebenforschung auf dem Mars noch in den Kinderschuhen steckt, scheint es, als seien Marsbeben irgendwo zwischen Mond- und Erdbeben angesiedelt: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erkennen zwar die ersten seismischen Signale des Marsbebens, aber die Signale, die folgen, zeigen stärkere Echos als von den Forschenden erwartet. Die Dauer des Signals eines Marsbebens kann circa 10 bis  20 Minuten betragen. Noch rätseln die Forscherinnen und Forscher, ob die Bruchstellen der Marskruste nur wenige Kilometer tief sind – wie auf dem Mond – oder ob sie oberflächlicher sind.

Marsbebendienst in Betrieb

Für die Schweizer Beteiligung an der Insight-Mission verantwortlich ist Domenico Giardini, Professor für Seismologie- und Geodynamik. Er hat auch den Marsbebendienst an der ETH gegründet. Rund zweimal täglich analysieren zehn Seismologinnen und Seismologen die von SEIS aufgezeichneten Daten mit dem Ziel, Marsbeben zu entdecken und zu charakterisieren.

Da es auf dem Mars nur ein Seismometer gibt, kombinieren Giardini und sein Team Methoden aus den Anfängen der Seismologie mit modernen Analyseverfahren. Letztlich dienen die seismischen Daten den Forschenden nicht nur zur Beantwortung von Fragen zur geologischen Struktur des Mars, sondern auch zur Entstehung der Planeten im inneren Sonnensystem vor mehr als vier Milliarden Jahren.

Der Marsbebendienst unter der Leitung der ETH Zürich ist eine Kooperation von Seismologinnen und Seismologen des Instituts für Geophysik und des Schweizerischen Erdbebendienstes an der ETH Zürich, des Instituts für Geophysik Paris (IPGP), der französischen Ingenieurhochschule ISAE Toulouse, der Universität Bristol, des Imperial College London, des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung Göttingen (MPS) und des Jet Propulsion Laboratory Pasadena (JPL).

23.04.2019

Erste mögliche Marsbeben registriert

Erste mögliche Marsbeben registriert

Am 19. Dezember 2018 platzierte die NASA-InSight-Mission ein Seismometer auf der Marsoberfläche. Aufgabe des Geräts ist es, Marsbeben zu erfassen, um das Innere des Planeten besser zu verstehen. Der Marsbebendienst unter der Leitung der ETH Zürich wertet die aufgezeichneten Daten seit Messbeginn stetig aus. Daran beteiligt sind Mitarbeitende des Schweizerischen Erdbebendienstes und der Gruppe für Seismologie und Geodynamik. Erst liess sich aus den Daten vor allem die Häufigkeit und Intensität von Staubteufeln erkennen. Dabei handelt es sich um kleine Wirbelstürme, die oft auf dem Mars vorkommen. Damit war bereits der Beweis erbracht, dass das Seismometer einwandfrei funktioniert. Am 6. April 2019 (Sol 128, 15:32 lokale Marszeit) entdeckten ETH-Forschende im Rahmen ihres Einsatzes für den Marsbebendienst ein potentielles Marsbeben in den Daten. Es ist das erste Signal, das aus dem Inneren des Mars zu kommen scheint. Die genauen Ursachen sind aber noch unbekannt und werden derzeit untersucht.

Drei weitere Signale, die wahrscheinlich auf einen seismischen Ursprung zurückzuführen sind, traten am 14. März, 10. April und 11. April 2019 auf. Sie sind weniger eindeutig als jene vom 6. April, scheinen aber weder von atmosphärischen Störungen noch von anderen bekannten Geräuschquellen zu stammen. Sie waren schwächer als die Signale des Ereignisses vom 6. April und wurden nur von den empfindlicheren Breitbandsensoren erkannt. Das InSight-Team wird diese Ereignisse weiter auswerten und versuchen, ihren Ursprung zu ermitteln.

Diese ersten Aufzeichnungen deuten darauf hin, dass sich Marsbeben von Erdbeben unterscheiden. Berücksichtigt man ihre Grösse sowie ihre lange Dauer, ähneln sie eher den Beben, die vom Apollo-Programm auf dem Mond aufgezeichnet wurden. Während auf der Erde die Plattentektonik mehrheitlich Beben verursacht, bewirken auf dem Mond die Abkühlung und Kontraktion Beben. Welche Prozesse für Beben auf dem Mars verantwortlich ist, konnte noch nicht komplett entschlüsselt werden. Als gesichert gilt, dass sich so lange Spannung aufbaut, bis diese stark genug ist, um die Kruste aufzubrechen. Verschiedene Materialien können die Geschwindigkeit seismischer Wellen verändern oder diese reflektieren, so dass Wissenschaftler die Wellen nutzen können, um Erkenntnisse über das Innere des Planeten zu gewinnen und Modelle über seine Entstehung zu erstellen. Die bisher aufgezeichneten Ereignisse sind zu klein, als dass sie nützliche Daten über das tiefe Innere des Mars liefern könnten. Dennoch bilden sie einen Meilenstein der InSight-Mission und belegen, wie gut die an der ETH Zürich entwickelten Datenverarbeitungs- und Analysesysteme funktionieren.

InSight lander

Erkunden Sie die interaktive Grafik und lernen Sie mehr über den InSight Lander und seine Instrumente.