Vulkanische Aktivität auf dem Mars stellt Annahmen über den Roten Planeten auf den Kopf

Eine Masse sich bewegender Materie auf dem Mars, sogenannte Mantelwolke, könnte Marsbeben und Vulkanismus verursachen

Jahrzehntelang gingen Planetenforscher davon aus, dass der Mars tot sei.

Geologisch gesehen also. Der Planet ist kleiner als die Erde und hätte nach seiner Entstehung schneller abgekühlt als unserer. Es war eine Zeit lang ziemlich vulkanisch aktiv. Man ging davon aus, dass mit der allmählichen Abnahme der Innentemperatur auch die Fähigkeit des Planeten, großräumige geologische Aktivitäten wie riesige Vulkane und „Marsbeben“ zu erzeugen, abnahm.

Neue Entdeckungen widerlegen diesen Glauben jedoch. Es ist einfach so, dass der Mars nur größtenteils tot ist. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass eine große Region auf dem Mars in den letzten geologischen Zeiten anfällig für Beben und sogar leichte vulkanische Aktivitäten war, was darauf hindeutet, dass sich unter der Oberfläche etwas zusammenbraut. Aber was?

Nach Durchsicht der Daten mehrerer Mars-Robotermissionen kam ein Team von Planetenwissenschaftlern zu dem erstaunlichen Schluss, dass ein riesiger Turm aus heißem Material, der sich im Mantel des Planeten nach oben bewegt, von unten auf die Kruste drückt und Druck erzeugt, der die Oberfläche reißt und verursacht tektonische Aktivität. Es wird als Mantelwolke bezeichnet und könnte ein relativ neues Merkmal im Marsinneren sein, das auf der Erde Analogien hat. Es könnte sogar Auswirkungen auf das noch existierende Leben auf dem Mars haben – oder genauer gesagt, auf das Leben in ihm. Die Arbeit wurde im Dezember 2022 in Nature Astronomy veröffentlicht.

Der Mars war einst ein stark vulkanischer Planet. Die Oberfläche ist noch immer mit alten Hügeln übersät, darunter einer namens Olympus Mons. Dieses Monster hat einen Durchmesser von mehr als 600 Kilometern – das entspricht in etwa der Länge des Bundesstaates Colorado – und ragt 21 Kilometer über die durchschnittliche Erdoberfläche seines Planeten hinaus, etwa zweieinhalb Mal so hoch wie der Mount Everest. Obwohl andere Vulkane auf dem Mars kleiner sind, sind sie immer noch riesig und alle sind furchtbar alt.

Der großflächige Vulkanismus auf dem Mars begann, bevor der Planet überhaupt eine Milliarde Jahre alt war, und war danach etwa eine Milliarde Jahre lang aktiv. Weltweit wurde der Vulkanausbau danach so gut wie zum Stillstand gebracht. Es gibt Hinweise auf einige Lavaströme auf dem Olympus Mons, die erst vor wenigen Millionen Jahren entstanden sind. Dabei handelte es sich jedoch um kleine Ereignisse, die wahrscheinlich sporadisch auftraten. Vor etwa drei Milliarden Jahren war die Ära der aktiven Vulkanbildung auf dem Mars vorbei. Zum Vergleich: Die meisten aktiven Vulkane auf der Erde sind weniger als eine Million Jahre alt.

Bis vor Kurzem glaubten Wissenschaftler, dass die Geschichte des Vulkanismus auf dem Roten Planeten zu Ende sei. Raumsonden, die den Mars umkreisen, haben jedoch hochauflösende Bilder aufgenommen, die zeigen, dass das letzte Kapitel noch nicht geschrieben ist. In einer Region namens Cerberus Fossae gibt es eine große Anzahl von Rissen in der Oberfläche (Fossae sind Gräben oder Spalten), und an einem dieser Merkmale verlaufen dunkle Materialstreifen über Dutzende von Kilometern entlang. Messungen aus dem Orbit zeigen, dass das Material mit Pyroxenen beladen ist, Mineralien, die in vulkanischer Lava häufig vorkommen. Erstaunlicherweise kann es sein, dass diese Abflüsse erst vor Zehntausenden von Jahren stattgefunden haben. Das ist neu in der planetaren Zeit und deutet auf anhaltende Aktivität unter der Oberfläche hin.

Darüber hinaus landete der InSight-Lander der NASA im Jahr 2018 in der riesigen Region Elysium Planitia, etwa 1.600 Kilometer von Cerberus Fossae entfernt. Im Rahmen einer Mission zur Messung dessen, was unter der Marsoberfläche vor sich geht, verfügte InSight über ein Seismometer, das während seiner Betriebsjahre Hunderte kleiner Marsbeben sowie mehrere mit mittlerer bis mittlerer Energie entdeckte. Die überwältigende Mehrheit von ihnen scheint aus der Richtung von Cerberus Fossae zu stammen. Auch diese Aktivität deutet darauf hin, dass der Marsmantel möglicherweise noch nicht vollständig tot ist.

In der neuen Nature Astronomy-Studie konzentrieren sich die Wissenschaftler auf diese Region des Mars. Ein großer Teil der Planetenoberfläche weist Kompressionsmerkmale auf, wie z. B. Faltenkämme, die entstehen, wenn sich die Oberfläche eines Planeten beim Abkühlen zusammenzieht. Im Gegensatz dazu ist Elysium Planitia eine Ausbuchtung an der Oberfläche, die als Beweis für eine Ausdehnung angesehen wird: eine Dehnung der Kruste, wenn sich der lokale Bereich ausdehnt. Die Risse, aus denen Cerberus Fossae besteht, sind Risse, in denen die Kruste aufgrund dieser Ausdehnung auseinandergebrochen ist. Die Wissenschaftler stellen außerdem fest, dass die Böden von Einschlagskratern, die sich vor vielen Millionen Jahren gebildet haben, vom Zentrum der Ausbuchtung weg geneigt sind, was zu erwarten wäre, wenn sie sich gebildet hätten, bevor die Oberfläche nach oben gedrückt wurde. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Ursache für den Anstieg relativ jung ist.

Alle diese Beweise stimmen mit einem Mantelplume überein. Die Grundidee einer Wolke kommt Ihnen vielleicht bekannt vor, wenn Sie jemals Wasser kochen oder einen Heißluftballon beim Fliegen beobachtet haben: Heißes Material steigt auf, während kaltes Material in einem Prozess namens Konvektion sinkt. Der Kern eines Planeten ist heiß und der Mantel darüber ist etwas kühler, sodass das an der Basis des Mantels erhitzte Material aufsteigt.

Der Clou dabei ist, dass ein Großteil des Marsmantels (und des Erdmantels) tatsächlich fest ist; Es ist ein Missverständnis, dass es sich um eine Flüssigkeit handelt. Aber Konvektion kann auch in einem Feststoff funktionieren. Das Silikatmaterial, das den Großteil eines Mantels ausmacht, ist kristallin und es kann Fehler und Brüche im Kristallmuster geben. Unter dem enormen Druck tief im Untergrund können Atome aus dem darunter liegenden Material diese Risse in einem Prozess füllen, der als Versetzungskriechen bekannt ist. Auf diese Weise kann heißeres Material in der Nähe des Kerns langsam aufsteigen und quasi fließen. Es ist ein extrem langsamer Prozess; Der Erdmantel fließt mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit in der Größenordnung von einigen Zentimetern pro Jahr, etwa so schnell, wie Ihre Fingernägel wachsen.

Es ist nicht genau klar, wie Mantelplumes entstehen. An der Basis des Mantels über dem Kern kann ein überdurchschnittlich heißer Punkt einen Bereich mit stärkerer Konvektion erzeugen, in dem das Material in einer eingeschränkteren Säule fließt. Diese Wolke steigt im Laufe von Dutzenden oder Hunderten von Millionen Jahren an die Oberfläche. In der Nähe der Kruste ist der Druck deutlich geringer und der Feststoff kann sich verflüssigen. Es breitet sich aus und bildet eine pilzartige Kappe, die gegen die Kruste drückt und eine Ausdehnungsstruktur wie bei Elysium Planitia verursacht.

Dieses Szenario würde im Wesentlichen alle Anomalien in Cerberus Fossae erklären: die Hebung, die Risse, die Vulkanausbrüche, die Beben. Messungen des Schwerkraftfeldes des Mars zeigen sogar, dass das Feld unter Cerberus Fossae etwas schwächer ist, was mit einer Verschiebung des Mantels geringerer Dichte nach oben in Richtung Kruste übereinstimmen würde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Hebung sehr tief im Untergrund erfolgt.

Die Wissenschaftler verwendeten Computermodelle, um die Geophysik des Mars zu simulieren, und fanden heraus, dass eine Wolke, die 95 bis 285 Grad Celsius heißer und etwas weniger dicht als der umgebende Mantel war, den Zweck erfüllen könnte, wenn sie fast direkt unter den Fossae zentriert wäre. Es würde eine Kappe bilden, die sich über einige tausend Kilometer erstreckt und die Kruste etwa einen Kilometer nach oben drückt, was wiederum Cerberus Fossae entspricht. Es wäre auch ein junges Merkmal: Die Aktivität in und um Cerberus Fossae scheint vor etwa 350 Millionen Jahren begonnen zu haben, lange nachdem alle anderen Großmotoren auf dem Planeten praktisch abgeschaltet waren.

Obwohl das Plume-Modell hervorragend mit den beobachteten Daten übereinstimmt, räumen die Wissenschaftler ein, dass es auch andere Erklärungen geben könnte. Beispielsweise könnte sich dort unter der Region einfach ein Klumpen aus Mantelmaterial mit etwas geringerer Dichte befinden, der die Schwerkraftwerte erklären würde, allerdings nicht die Hebung oder irgendetwas anderes erklären würde. Die Idee, die im wahrsten Sinne des Wortes die größte Fläche abdeckt, ist eine Mantelfahne.

Sollte sich die Hypothese als richtig erweisen, dann sind das tatsächlich wichtige Neuigkeiten. Zum einen gingen Wissenschaftler bei vielen ihrer Schlussfolgerungen über das Marsinnere davon aus, dass Elysium Planitia langweilig sei – nur ein weiterer Fleck auf dem Mars. Wenn es sich auf der Spitze einer gewaltigen Wolke aus heißem Material geringer Dichte befindet, ändert sich die Art und Weise, wie wir die seismischen Messungen von InSight interpretieren sollten.

Und auch wenn es im Moment noch etwas langwierig ist, könnte die Wolke Auswirkungen auf das Leben haben. Wissenschaftler haben lange angenommen, dass Wasser unter der Marsoberfläche die Form von Eis annimmt, aber eine warme Mantelwolke könnte Wassertaschen so weit erhitzen, dass sie flüssig werden. Das Leben auf der Erde braucht flüssiges Wasser, daher ist es vielleicht nicht allzu albern, die Möglichkeit einer Biologie tief unter der Marsoberfläche in Betracht zu ziehen.

In diesem Fall wäre der Mars möglicherweise weder geologisch noch im allgemeineren biologischen Sinne völlig tot. Wir haben gerade erst begonnen, die wahre Natur des Roten Planeten zu verstehen, und je mehr wir suchen, desto mehr stellen wir fest, dass er immer noch einen kleinen Kick in sich trägt.

Dies ist ein Meinungs- und Analyseartikel, und die vom Autor oder den Autoren geäußerten Ansichten stimmen nicht unbedingt mit denen von Scientific American überein.

Phil Plait ist ein professioneller Astronom und Wissenschaftskommunikator in Colorado. Er schreibt den Bad Astronomy Newsletter. Folgen Sie ihm auf Twitter @BadAstronomer Credit: Nick Higgins

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