Die topografische Marskarte zeigt zusätzlich das aus saisonalen Gezeiteneffekten abgeleitete Schermodul des Mantels. Demnach ist das Mantelgestein in der Nordhälfte fester © Berne et al./ Nature, CC-by 4.0
Gezeiten machen den Mantel messbar
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 Marsmantel ist in der Südhälfte heißer und weicher als im Norden. Möglicherweise steigt dort noch heute glutflüssiges Magma bis zur Kruste auf © Berne et al./ Nature, CC-by 4.0
Südlicher Mantel ist deutlich wärmer
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.
Mehrere Ursachen können zusammenwirken
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.
Keine dieser Möglichkeiten erklärt bislang alle Beobachtungen eindeutig. Ein kombiniertes Szenario ist deshalb denkbar, bei dem ein früher Einschlag zunächst Zusammensetzung und Krustendicke der Hemisphären veränderte und spätere Isolierung oder großräumige Aufströmung den südlichen Mantel über lange Zeit wärmer hielt.
Neue Methode für künftige Missionen
Die räumliche Übereinstimmung zwischen der Mantelanomalie und der Oberflächengrenze liefert damit eine neue Randbedingung für Modelle zur Marsgeschichte und passt zu früheren Hinweisen, dass seismische Wellen im südlichen Hochland stärker gedämpft werden. Direkte Temperaturmessungen aus verschiedenen Regionen fehlen aber weiterhin.
Die Forscher sehen in der Gezeitentomografie deshalb auch ein Werkzeug für weitere Erkundungen, denn speziell auf Gravitation ausgelegte Missionen könnten feinere Strukturen im Marsmantel auflösen. Nach demselben Prinzip ließe sich künftig auch das Innere anderer Himmelskörper aus der Umlaufbahn untersuchen, etwa von Merkur, Ganymed, Io oder Enceladus.
Quellen:
1. September 2026
– Robert Klatt