Donnerstag, 29. Januar 2015

Mondgroßer Körper schuf die zwei Gesichter des Mars


Topografische Karte des Mars. Die blauen Regionen befinden sich unterhalb des festgelegten Nullviveaus, die roten oberhalb | Copyright: NASA

Zürich (Schweiz) - Kein anderer Planet im Sonnensystem weist wie der Mars zwei gänzlich verschiedene Hälften auf. Während vulkanarme flache Tiefländer die nördliche Hemisphäre des Roten Planeten prägen, zeichnet sich die Südhemisphäre durch unzählige von Vulkanen durchsetzte Hochländer aus. Mit neusten Simulationen liefern Schweizer Wissenschaftler nun erstmals einen neuen Ansatz für die bislang nicht definitiv erklärte, sogenannte Mars-Dichotomie und widersprechen damit bisherigen Erklärungstheorie eines gewaltigen oder mehrere kleinerer Einschläge in der Nordhalbkugel. Statt dessen war es wohl ein in etwa erdenmondgroßer Himmelskörper, der in den Südpol des Mars einschlug. Zugleich erklärt das Model das Verschwinden des Magnetfeldes des Roten Planeten und ermöglich so auch Rückschlüsse über die vieldiskutierte einstige Lebensfreundlichkeit des Mars.

Wie das Geophysiker-Team der ETH Zürich um Giovanni Leone im Fachjournal "Geophysical Research Letters" (DOI: 10.1002/2014GL062261) berichten, zeigen die Simulationen dass in der Frühgeschichte des Sonnensystems ein großer Himmelskörper in den Südpol des Mars eingeschlagen haben muss. Dieser Einschlag müsse dermaßen viel Energie erzeugt haben, dass ein Magma-Ozean entstand, der die Ausdehnung der heutigen Südhemisphäre hatte. "Der Einschlagkörper musste mindestens ein Zehntel der Marsmasse betragen haben", so die Forscher. "Das flüssige Gestein erstarrte schließlich zum bergigen Hochland, aus dem die heutige Südhalbkugel des Mars besteht."


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In ihrer Simulation gingen die Wissenschaftler davon aus, dass der Himmelskörper mehrheitlich aus Eisen bestand, einen Radius von mindestens 1600 Kilometern hatte und mit fünf Kilometern pro Sekunde in den Mars prallte. Zeitpunkt des Geschehens: Rund 4 bis 15 Millionen Jahre nach Entstehung des roten Planeten. "Die Marskruste muss damals nur sehr dünn gewesen sein, wie die harte karamelisierte Oberfläche einer Crema Catalan. Darunter verbarg sich wie beim beliebten Dessert ein flüssiges Inneres."

Der Einschlagkörper fügte dem Mars demnach nicht nur mehr Masse, sondern vor allem Eisen hinzu. Er setzte auch starke vulkanische Aktivitäten in Gang, die gemäß der Simulation bis vor rund 3,5 Milliarden Jahren anhielten. Vor allem rund um den Äquator entstanden als Folge des Einschlags zahlreiche sogenannte Mantel-Plumes, die zum Südpol hin wanderten und sich dort vereinigten. Mantel-Plumes sind Magmasäulen, die flüssiges Material vom Mantel zur Oberfläche transportieren.


Im Modell der Forscher kommt der Mars vor 3,5 Milliarden Jahren dann zur Ruhe. Danach gab es auf dem roten Planeten weder Vulkanismus noch ein Magnetfeld - was mit Beobachtungen und Messungen übereinstimmt.


Tatsächlich besagten bisherige Theorien bislang das Gegenteil: dass es entweder einen gigantischen Einschlag oder mehrere kleinere Treffer in der Nordhalbkugel gegeben haben musste. Diese Theorien überzeugte Leone jedoch nicht: "Unsere Szenarien stimmen besser mit einer Vielzahl von Beobachtungen des Mars überein als die Theorie eines Einschlages in der Nordhemisphäre". Auf dem Mars sind die Vulkane sehr ungleich verteilt. Auf der Südhemisphäre sind sie häufig und weit verbreitet, auf der Nordhalbkugel jedoch selten und auf wenige, kleinere Gebiete beschränkt. "Unser Modell bildet die tatsächliche Verteilung des Vulkanismus beinahe deckungsgleich ab", betont Leone. Kein anderes Modell habe diese Verteilung bisher abbilden oder erklären können.


Mit ihrer Simulation können die Forscher auch die unterschiedliche Topografie der beiden Hemisphären realitätsnah wiedergeben. So bilde das Modell - je nach gewählter Zusammensetzung des Einschlagkörpers - Ausdehnung und Form der Hemisphären nahezu perfekt ab. Voraussetzung dafür ist, dass der aufprallende Körper 80 Prozent Eisen enthält. Simulieren die Forscher den Aufprall mit einem Körper aus purem Silikatgestein, so entspricht das Bild der Dichotomie nicht der Realität.


Und schließlich bestätigt das Modell der ETH-Forscher den Zeitpunkt, an dem das Magnetfeld des Mars‘ ausgelöscht wurde. Der vom Modell berechnete Zeitpunkt entspricht den rund 4,1 Milliarden Jahren vor unserer Zeit, was andere Wissenschaftler bereits zuvor nachgewiesen hatten. Das Modell zeigt überdies auch den Grund für das Abschalten auf: der steile Abfall des Wärmeflusses aus dem Kern in den Mantel und die Kruste in den ersten 400 Millionen Jahren nach dem Einschlag. Nach einer Milliarde Jahren betrug der Wärmefluss noch ein Zehntel des Anfangswertes - zu wenig, um selbst den Vulkanismus aufrechtzuerhalten. Die Modellrechnungen stimmen gut mit bisherigen Berechnungen und mineralogischen Untersuchungen überein.


Der Vulkanismus auf dem Mars hing laut Leone mit dem Wärmefluss zusammen. Der Grad des Vulkanismus könne jedoch in der Simulation variiert werden und werde von der Stärke des Einschlags beeinflusst. Dieser wiederum hänge mit der Größe und der Zusammensetzung des Himmelskörper zusammen. Je größer dieser ist, desto stärker ist die vulkanische Aktivität. Nach einer Milliarde Jahre aber erlöschen die Vulkanschlote, unabhängig von der Größe des Einschlages.


Für Giovanni Leone wird immer klarer, dass der Mars schon immer ein extrem lebensfeindlicher Planet gewesen ist. Dass auf ihm jemals Ozeane oder Wasserläufe vorkamen, hält er für fast unmöglich. "Bevor dieser Planet zum heutigen kalten und trockenen Ort wurde, war er von großer Hitze und von Vulkanismus geprägt, was allfälliges Wasser hätte verdunsten lassen und die Entstehung von Leben sehr unwahrscheinlich macht", ist der Planetenforscher überzeugt.


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