Mars: Sonnenfinsternis lässt Seismometer beben

Kurioser Effekt: Wenn der Marsmond Phobos vor der Sonne vorbeizieht, dann hat dies an der Marsoberfläche überraschende Folgen. Denn auch das Seismometer der NASA-Sonde Mars Insight reagiert auf diese Transit-Ereignisse – zur Verblüffung der Planetenforscher. Offenbar reicht die kurze Abschattung durch den kleinen Mond aus, um den Untergrund abzukühlen und das Seismometer ganz leicht kippen zu lassen, wie die Wissenschaftler berichten.

Auch auf dem Mars gibt es Sonnenfinsternisse – allerdings nur partielle. Denn die beiden Marsmonde Phobos und Daimos sind zu klein, um die Sonne komplett zu verdecken. Dafür jedoch kommen diese Transits umso häufiger vor: Die NASA-Sonde Mars Insight hat seit ihrer Landung im November 2018 schon acht Abschattungen durch Phobos und eine durch Daimos erlebt. „Allerdings sind die Eklipsen auf dem Mars kürzer, sie dauern nur 30 Sekunden“, erklärt Erstautor Simon Stähler von der ETH Zürich.

Marsianische Sonnenfinsternis live

Was bei einer solchen marsianischen Sonnenfinsternis passiert, haben Strähler und sein Team nun anhand der Daten von Mars Insight untersucht, die die Sonde während einer Finsternisserie am 24. April 2019 aufzeichnete. „Auf der Erde misst man bei einer Sonnenfinsternis einen Temperaturabfall und rasche Windböen, weil die Atmosphäre jeweils an einer Stelle kälter wird und sich die Luft von dort weg bewegt“, erklärt Stähler.

Tatsächlich registrierte auch die Instrumente von Mars Insight einige typische Effekte der Sonnenfinsternis: Die Solarzellen der Sonde erhielten kurzzeitig rund 30 Prozent weniger Sonneneinstrahlung und produzierten dadurch weniger Spannung. Andere Parameter der Atmosphäre veränderten sich jedoch anders als auf der Erde, nicht wie die Daten der Insight-Wetterstation ergaben.

Verblüffende Reaktion des Seismometers

Dafür aber trat ein anderer, überraschender Effekt auf: Das Seismometer der Marssonde reagierte auf die marsianische Sonnenfinsternis. „Das Seismometer-Signal haben wir nicht erwartet, es ist eine Kuriosität“, sagt Stähler. Eigentlich dient das Seismometer dazu, Erschütterungen des Marsuntergrunds zu registrieren. Solche Marsbeben gibt es reichlich, wie erste Daten der Sonde bereits belegt haben. Der Marsuntergrund bebt demnach sogar häufiger als der des Mondes.

Doch wie kann eine Sonnenfinsternis ein Seismometer-Signal auslösen? Nähere Analysen enthüllten: Während des Transits von Phobos war das Seismometer ein winziges Stück zur Seite gekippt. „Die Neigung ist wirklich äußerst gering“, erklärt Stähler. „Stellen Sie sich ein Fünffrankenstück vor und schieben Sie auf der einen Seite zwei Silberatome darunter. Das ergäbe diese Neigung von 10^-8.“

Abkühlung verformte den Boden

Was aber hatte dieses Kippen verursacht? „Die banalste Erklärung wäre, dass die Anziehungskraft von Phobos dafür verantwortlich ist, so wie der Erdmond die Gezeiten verursacht“, sagt Stähler. „Doch dies kann man schnell ausschließen.“ Denn dann müsste das Seismometer-Signal alle fünf Stunden, wenn Phobos vorbeizieht, für eine längere Dauer messbar sein.

Stattdessen lieferten Daten eines Infrarotsensors die Lösung des Rätsels: Er zeigte, dass sich die oberste Schicht des Marsuntergrunds während der Sonnenfinsternis um rund zwei Grad abgekühlt hatte. „Dadurch verformt sich der Boden ungleichmäßig und löst so die Neigung aus“, erklärt Stählers Kollege Martin van Driel. Zwar wirkt sich diese Abkühlung nur auf die obersten Mikrometer bis Millimeter des Untergrunds aus, aber schon dies reicht offenbar aus, damit das hochsensible Seismometer eine Verformung registriert.

Schon die Wärme einer Glühbirne reicht

Dass schon der Lichteinfall ein sensibles Seismometer beeinflussen kann, bestätigt eine Beobachtung auf der Erde: Beim Test eines Seismometers in einer alten Silbermine im Schwarzwald wurde versehentlich das Licht im Stollen nicht ausgeschaltet. Es zeigte sich, dass die Wärmestrahlung einer 60-Watt-Glühbirne ausreichte, um den Granit an seiner obersten Schicht zu erwärmen. Dadurch dehnte sich dieser ein wenig aus und das Seismometer zeigte eine kleine Verschiebung zur Seite an.

Die überraschende Entdeckung am Insight-Seismometer könnte in Zukunft einen ganz praktischen wissenschaftlichen Nutzen haben. Denn anhand des winzigen Kippsignals können Wissenschaftler nun die Passagen und damit auch die Bahn des Marsmonds Phobos genauer als bisher vermessen. Weiß man, wann hier ein Phobos-Transit genau beginnt und endet, kann man die Umlaufbahn des Mondes exakt berechnen. Dies ist für künftige Raumfahrtmissionen zu den Marsmonden wichtig, könnte aber auch Rückschlüsse über die Beschaffenheit des Marsinneren erlauben. (Geophysical Research Letters, 2020; doi: 10.1029/2020GL089099)

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)