Mars hat ein heißes Geheimnis: Der südliche Mantel ist bis zu 400 °C wärmer

Der Mars wirkt schon an seiner Oberfläche wie ein Planet mit zwei Gesichtern: Im Süden liegen alte, stark verkratere und höher gelegene Hochländer, im Norden dagegen tiefe, jüngere Ebenen. Eine neue Studie in Nature deutet nun darauf hin, dass dieser Gegensatz bis tief ins Innere reicht. Der Mantel unter der Südhalbkugel ist demnach schätzungsweise 200–400 °C heißer als unter den nördlichen Ebenen. Das Gestein ist dadurch weicher und möglicherweise zumindest teilweise geschmolzen. 310

Das Ergebnis liefert einen neuen Blick auf die sogenannte krustale Dichotomie des Mars – die markante geologische Zweiteilung zwischen Südhochland und Nordtiefland. Es spricht für einen bis heute erhaltenen thermischen Unterschied im Planeteninneren. Wie diese Asymmetrie entstanden ist, bleibt jedoch offen.

Ein heißeres und weicheres Südinneres

Heißes Mantelgestein verformt sich leichter als kaltes, starres Gestein. Die Messungen und Modelle der Studie sprechen deshalb für einen Mantel unter dem Südhochland, der eine geringere Viskosität besitzt und sich mechanisch schwächer verhält als der Mantel unter dem Norden. Außerdem lässt die Auswertung teilweise geschmolzenes Material im südlichen Mantel zu. 310

Die Oberfläche passt zu diesem Bild: Das Südhochland ist höher gelegen und deutlich stärker von Einschlagkratern geprägt. Die nördlichen Ebenen sind tiefer und wurden wiederholt als mögliche Überreste eines sehr alten Ozeans diskutiert. Geologische Modelle gehen zudem meist davon aus, dass die Kruste im Süden dicker ist als im Norden. 31

Damit könnte die Zweiteilung des Mars nicht nur auf Unterschiede bei Höhe, Alter und Dicke der Kruste zurückgehen. Auch die thermische Struktur des Mantels scheint von Norden nach Süden deutlich verschieden zu sein.

Wie die Forschenden ins Innere blicken konnten

Für die Untersuchung wurden 16 Jahre präziser Funk- und Bahnverfolgungsdaten von drei NASA-Sonden neu ausgewertet: Mars Global Surveyor, Mars Odyssey und Mars Reconnaissance Orbiter. Wenn die Flugbahnen der Sonden durch die Gravitation des Mars minimal beeinflusst werden, lassen sich daraus detaillierte Informationen über das Schwerefeld des Planeten ableiten. Die Daten enthalten unter anderem Hinweise auf Gezeiten, Krustendicke und den inneren Aufbau des Mars. 2

Entscheidend war die Reaktion des Mars auf die Gravitation der Sonne. Deren Anziehung verformt den Planeten geringfügig – ähnlich wie die Gezeiten auf der Erde, allerdings auf globaler Ebene. Während sich der Mars auf seiner Bahn um die Sonne bewegt, verändert sich diese Reaktion messbar.

Statt nur einen globalen Durchschnitt zu betrachten, untersuchte das Team mit einer Methode namens Gezeitentomografie, wie sich die Gezeitenantwort in verschiedenen Regionen unterscheidet. Temperatur und Aggregatzustand des Mantels beeinflussen dessen Steifigkeit, Viskosität und die Fähigkeit, Gezeitenenergie abzubauen. Aus dem räumlich unterschiedlichen Gravitationssignal errechneten die Forschenden den deutlich heißeren und mechanisch schwächeren Mantel unter dem Süden. Die gegenwärtige thermische Anomalie wird auf rund 200–400 °C geschätzt. 3812

Wichtig ist dabei: Die Sonden haben die Temperatur nicht direkt mit einem Messfühler bestimmt. Sie registrierten Veränderungen von Gravitation und Gezeitenverhalten. Die Temperatur und der physikalische Zustand des Mantels wurden anschließend mithilfe geophysikalischer Modelle abgeleitet.

Was die Wärmeanomalie über die Marsgeschichte verraten könnte

Zusammenhang mit den Magnetanomalien im Süden

Starke, dauerhaft gespeicherte Magnetfelder im Gestein konzentrieren sich vor allem auf die alten südlichen Hochländer. Sie stammen aus einer Zeit, in der der Mars noch ein globales Magnetfeld besaß und sich bestimmte Gesteine in diesem Feld abkühlten. 3037

Ein heißeres Südinnere könnte frühes Schmelzen, Vulkanismus und die Bildung oder Veränderung jener Kruste beeinflusst haben, die später magnetische Signaturen bewahrte. Das ist allerdings eine mögliche Verbindung – kein Beleg dafür, dass die neu ermittelte Wärmeanomalie allein das frühere Magnetfeld oder sämtliche Magnetanomalien erzeugt hat.

Wärme, Wasser und hydrothermale Systeme

Innerer Planetenschub kann Vulkanismus und hydrothermale Zirkulation antreiben. Frühere Arbeiten brachten Teile der magnetisierten Kruste im Südhochland mit Talnetzwerken und möglicher hydrothermaler Flüssigkeitszirkulation über magmatischen Intrusionen in Verbindung. 26

Die neue Messung liefert nun eine weitere Bedingung, an der sich Modelle zur frühen Mars-Hydrologie prüfen lassen. Anhaltende Wärme im Süden könnte örtlich Grundwasserbewegungen oder unterirdische, wasserführende Lebensräume unterstützt haben. Das wäre für die frühere Bewohnbarkeit des Planeten relevant. Die Studie beweist jedoch weder, dass in einem bestimmten Becken Leben existierte, noch dass dort über einen genau bekannten Zeitraum Wasser vorhanden war.

Mantelbewegungen und Tektonik

Die thermische Asymmetrie ist auch für die Frage wichtig, wie sich der junge Mars entwickelte. Forschende diskutieren unter anderem örtlich begrenzte Mantelkonvektion, Recycling der Lithosphäre oder eine begrenzte Aktivität, die an Plattentektonik erinnert.

Lineare Magnetstrukturen wurden in der Vergangenheit als mögliches Indiz für eine frühe Plattentektonik herangezogen. Diese Deutung ist jedoch umstritten. Eine NASA-Analyse kam zu dem Schluss, dass die damaligen Hinweise eine der Erde vergleichbare Plattentektonik nicht überzeugend stützen. 27

Die neue Nature-Studie stellt daher keine modernen Kontinentalplatten auf dem Mars fest. Sie zeigt vielmehr, dass jedes Modell zur Frühgeschichte des Planeten einen beträchtlichen thermischen Unterschied zwischen Nord und Süd erklären muss.

Warum ist der Süden heißer?

Die Beobachtung beschreibt zunächst nur die Asymmetrie, nicht ihre Ursache. Mehrere Szenarien sind denkbar:

• Ein gewaltiger Einschlag: Ein sehr großer Einschlag in der Frühzeit des Mars könnte Kruste und Mantel umgeordnet, die Oberflächen-Dichotomie geschaffen und eine langfristige Wärmespur hinterlassen haben.
• Langanhaltende Mantelkonvektion: Ein dauerhaft aufsteigender heißer Strom oder Mantelplume könnte Wärme in Richtung der Südhalbkugel transportiert haben.
• Wärme unter dicken Strukturen: Eine besonders dicke südliche Kruste oder Lithosphäre könnte das darunterliegende Material isoliert und die Abkühlung verlangsamt haben.

Die vorliegenden Daten entscheiden noch nicht zwischen diesen Erklärungen. Die belastbarste Schlussfolgerung ist enger gefasst: Die sichtbare Zweiteilung des Mars besitzt offenbar ein tiefreichendes thermisches Gegenstück. Unter dem Südhochland wird heute ein deutlich heißerer, weicherer und möglicherweise teilweise geschmolzener Mantel vermutet als unter den nördlichen Ebenen. Weitere Messungen des Schwerefelds, seismische Daten und geologische Modelle müssen klären, ob es sich um ein Relikt der frühesten Marsgeschichte oder um das Ergebnis eines länger anhaltenden inneren Prozesses handelt.