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200 – 400 Grad Celsius: Thermische Anomalie unter dem Mars-Südpol entdeckt
Die auffällige Zweiteilung des Mars reicht offenbar weit unter seine Kruste. Aus 16 Jahren Funkmessungen dreier Orbiter schließen Planetenforscher, dass der Mantel unter den südlichen Hochländern rund 200 bis 400 Grad Celsius wärmer ist als im Norden und deutlich weicher reagiert. Die Ursache dieser tiefen Asymmetrie ist noch offen.
Pasadena (U.S.A.). Der Mars zeigt an seiner Oberfläche zwei sehr unterschiedliche Gesichter, denn im Norden dominieren tiefe, relativ glatte Ebenen, während das südliche Hochland höher, rauer und stärker verkratert ist. Gängige Modelle verbinden diese Zweiteilung auch mit einer mittleren Krustendickendifferenz von rund 25 Kilometern, doch bisher war unklar, ob sich die sogenannte Krustendichotomie bis in den tieferen Mantel fortsetzt.
Forscher der University of Arizona (U of A) um Alexander Berne haben nun die saisonale Verformung des Planeten genutzt, um nach solchen Unterschieden zu suchen. Das Team hat dafür nicht direkt Temperaturen gemessen, sondern winzige zeitliche Änderungen des Schwerefelds ausgewertet und daraus Eigenschaften des Mantelgesteins abgeleitet.
„Wissenschaftler gehen normalerweise davon aus, dass das Innere planetarer Körper im Allgemeinen kugelsymmetrisch ist, aber das ist nicht zwangsläufig so“, erklärt Alexander Berne.
Die Sonne zieht wegen Mars’ elliptischer Bahn und geneigter Rotationsachse im Laufe des 687 Tage langen Marsjahrs unterschiedlich stark am Planeten, wodurch er sich minimal verformt und sein Schwerefeld verändert. Für eine kugelsymmetrische innere Struktur wären nur bestimmte Muster zu erwarten, während seitliche Unterschiede im Mantel zusätzliche Signale höherer Ordnung erzeugen können.
Um diese Signale herauszulösen, analysierten die Forscher X-Band-Dopplerdaten von Mars Global Surveyor, Mars Odyssey und Mars Reconnaissance Orbiter, die insgesamt 16 Jahre abdecken und kleinste Geschwindigkeitsänderungen der Raumsonden erfassen. Die sogenannte Gezeitentomografie nutzt solche Bahnstörungen, um die räumliche Verteilung elastischer Eigenschaften im Planeteninneren zu rekonstruieren.
Die Komponenten dritten Grades des zeitlich veränderlichen Schwerefelds wichen teils um rund 300 Prozent von den Erwartungen für ein kugelsymmetrisches Marsmodell ab. Die Inversion der Messdaten lässt sich am besten erklären, wenn sich der effektive Schermodul des Mantels zwischen den Hemisphären um mehr als 20 Prozent verändert.
Der Schermodul beschreibt, wie stark sich Gestein gegen eine Scherverformung wehrt. Auf der langen saisonalen Zeitskala reagiert Olivin, ein wichtiges Mantelmineral, besonders empfindlich auf Temperatur, sodass die beobachtete Weichheit im Süden im Modell überwiegend einem Temperaturüberschuss von etwa 200 bis 400 Grad Celsius gegenüber dem Norden entspricht.
Zusammensetzungsunterschiede können einen Teil des Signals beitragen, reichen allein aber nicht aus, wobei die Modelle im südlichen Mantel eine Eisenanreicherung von bis zu fünf Prozent erlauben. Teilweise Schmelze wäre bei den höheren Temperaturen denkbar und könnte das erforderliche Temperaturgefälle verringern, ist für die gemessenen Schwerefeldsignale aber nicht zwingend nötig.
Für die Entstehung des Musters diskutiert die Studie drei Hauptszenarien. Ein früher gigantischer Einschlag könnte die Marsdichotomie geprägt haben, doch seine Wärme allein sollte nicht über Milliarden Jahre erhalten bleiben, während großräumige Mantelaufströmungen den Süden bis heute wärmer halten könnten. Auch die dickere Kruste der südlichen Hochländer könnte wie eine Isolierschicht wirken und Wärme, einschließlich Wärme aus radioaktivem Zerfall, stärker im Mantel festhalten.