Ein internationales Forscherteam kombinierte Orbitalbilder mit seismologischen Daten von NASAs InSight-Lander, um eine neue Einschlagsrate von Meteoriten auf dem Mars zu erhalten. Die Seismologie bietet auch ein neues Mittel zur Bestimmung der Dichte der Marskrater und des Alters verschiedener Regionen des Planeten.

Ein internationales Forscherteam, das gemeinsam von der ETH Zürich und dem Imperial College London geleitet wurde, erhielt die erste Schätzung der globalen Meteoriten-Einschläge auf dem Mars mithilfe seismischer Daten. Ihre Ergebnisse zeigen, dass jedes Jahr zwischen 280 und 360 Meteoriten auf den Planeten treffen und Einschlagskrater mit einem Durchmesser von mehr als 8 Metern bilden. Géraldine Zenhäusern von der ETH Zürich, die die Studie mitleitete, erklärte: "Diese Rate war etwa fünfmal höher als die nur aus Orbitalbildern geschätzte Zahl. In Übereinstimmung mit den Orbitalbildern zeigen unsere Ergebnisse, dass die Seismologie ein hervorragendes Mittel zur Messung der Einschlagsraten ist."

Seismisches "Zwitschern" signalisiert eine neue Klasse von Beben
Unter Verwendung von Daten des Seismometers, das während der NASA-Mission InSight auf dem Mars installiert wurde, entdeckten die Forscher, dass 6 seismische Ereignisse, die in der Nähe der Station aufgezeichnet wurden, zuvor als Meteoriteneinschläge identifiziert worden waren (Garcia et al., 2023) - ein Prozess, der durch die Aufnahme eines spezifischen akustischen atmosphärischen Signals ermöglicht wurde, das entsteht, wenn Meteoriten in die Marsatmosphäre eintreten. Nun haben Zenhäusern von der ETH Zürich, die Co-Leiterin Natalia Wójcicka vom Imperial College London und das Forschungsteam herausgefunden, dass diese 6 seismischen Ereignisse zu einer viel größeren Gruppe von Marsbeben gehören, den sogenannten sehr hochfrequenten (VF) Ereignissen. Der ursprüngliche Prozess dieser Beben erfolgt viel schneller als bei tektonischen Marsbeben ähnlicher Größe. Während ein normales Beben der Magnitude 3 auf dem Mars mehrere Sekunden dauert, dauert ein Einschlagsereignis derselben Größe aufgrund der Hypergeschwindigkeit des Aufpralls nur 0,2 Sekunden oder weniger. Durch die Analyse des Spektrums der Marsbeben wurden weitere 80 Marsbeben identifiziert, von denen nun angenommen wird, dass sie durch Meteoroideneinschläge verursacht wurden.

Ihre Forschungssuche begann im Dezember 2021, ein Jahr bevor angesammelter Staub auf den Solarpaneelen die InSight-Mission beendete, als ein großes entferntes Beben, das vom Seismometer aufgezeichnet wurde, ein Breitband-Seismossignal durch den Planeten hallen ließ. Fernerkundung verknüpfte das Beben mit einem 150 Meter breiten Krater. Um dies zu bestätigen, arbeitete das InSight-Team mit der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) Context Camera (CTX) zusammen, um nach weiteren frischen Kratern zu suchen, die zeitlich und örtlich mit den von InSight entdeckten seismischen Ereignissen übereinstimmen würden. Ihre Detektivarbeit zahlte sich aus und sie fanden einen weiteren frischen Krater mit einem Durchmesser von über 100 Metern. Kleinere Krater, die jedoch entstehen, wenn Meteoroiden von der Größe eines Basketballs den Planeten treffen und die weit häufiger vorkommen sollten, blieben jedoch schwer fassbar. Nun wurde die Meteoriten-Einschlagsrate neu geschätzt mit dem Auftreten dieser speziellen hochfrequenten Beben.

Erste Meteoriten-Einschlagsrate aus seismischen Daten
Etwa 17.000 Meteoriten fallen jedes Jahr auf die Erde, aber wenn sie nicht durch den Nachthimmel ziehen, werden sie selten bemerkt. Die meisten Meteore zerfallen beim Eintritt in die Erdatmosphäre, aber auf dem Mars ist die Atmosphäre 100 Mal dünner, was die Oberfläche größeren und häufigeren Meteoriteneinschlägen aussetzt.

Bisher haben sich Planetenwissenschaftler auf Orbitalbilder und Modelle gestützt, die aus gut erhaltenen Kratern resultieren, die durch Meteoriteneinschläge auf dem Mond entstanden sind, aber die Extrapolation dieser Schätzungen auf den Mars erwies sich als herausfordernd. Wissenschaftler mussten die stärkere Anziehungskraft des Mars und seine Nähe zum Asteroidengürtel berücksichtigen, was beides bedeutet, dass mehr Meteoriten den roten Planeten treffen. Andererseits führen regelmäßige Staubstürme zu Kratern, die viel weniger erhalten sind als die auf dem Mond und daher schwerer mit Orbitalbildern zu erkennen sind. Wenn Meteoriten den Planeten treffen, reisen seismische Schockwellen durch die Kruste und den Mantel und können von Seismometern aufgezeichnet werden, was eine völlig neue Möglichkeit bietet, die Einschlagsrate auf dem Mars zu messen.

Wójcicka erklärt: "Wir haben die Kraterdurchmesser aus der Magnitude aller VF-Marsbeben und deren Entfernungen geschätzt und dies dann verwendet, um zu berechnen, wie viele Krater sich im Laufe eines Jahres um den InSight-Lander gebildet haben. Dann haben wir diese Daten extrapoliert, um die Anzahl der Einschläge, die jährlich auf der gesamten Marsoberfläche auftreten, zu schätzen."

Zenhäusern fügt hinzu: "Während neue Krater am besten auf flachem und staubigem Gelände zu sehen sind, wo sie wirklich auffallen, deckt solches Gelände weniger als die Hälfte der Marsoberfläche ab. Das empfindliche Seismometer von InSight konnte jedoch jeden einzelnen Einschlag im Bereich des Landers hören."

Einblick in das Alter des Mars und zukünftige Missionen
Genauso wie Linien und Falten in unserem Gesicht Hinweise auf das Alter verschiedener Körperregionen geben, offenbaren die Größe und Dichte von Kratern durch Meteoriteneinschläge Hinweise auf das Alter verschiedener Regionen eines planetaren Körpers. Weniger Krater bedeuten einen jüngeren Teil des Planeten. Zum Beispiel hat die Venus fast unsichtbare Krater, da sie durch eine dichte Atmosphäre geschützt ist und ihre Oberfläche ständig durch Vulkanismus umgestaltet wird, während die alten Oberflächen von Merkur und Mond mit Kratern bedeckt sind. Der Mars liegt zwischen diesen Beispielen, mit einigen alten und einigen jungen Regionen, die sich durch die Anzahl der Krater unterscheiden lassen.

Neue Daten zeigen, dass ein 8-Meter-Krater fast jeden Tag irgendwo auf der Marsoberfläche entsteht und ein 30-Meter-Krater etwa einmal im Monat auftaucht. Da Hypergeschwindigkeits-Einschläge explosive Zonen verursachen, die leicht 100 Mal größer im Durchmesser sind als der Krater, ist die genaue Kenntnis der Anzahl der Einschläge wichtig für die Sicherheit von Robotik- und zukünftigen bemannten Missionen zum roten Planeten.

"Dies ist also das erste Papier dieser Art, das bestimmt, wie oft Meteoriten die Oberfläche des Mars aus seismologischen Daten treffen - was eine Level-1-Mission der InSight-Mars-Mission war", sagt Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich und Co-Leiter der NASA-Mars-InSight-Mission. "Solche Daten spielen eine Rolle bei der Planung zukünftiger Missionen zum Mars."

Gemäß Zenhäusern und Wójcicka umfassen die nächsten Schritte zur Weiterentwicklung dieser Forschung die Nutzung von maschinellen Lerntechnologien, um Forschern bei der Identifizierung weiterer Krater auf Satellitenbildern und bei der Identifizierung seismischer Ereignisse in den Daten zu helfen.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich