Innerer Aufbau planetarer Körper

Eine wichtige wissenschaftliche Zielsetzung interplanetarer Raumfahrtmissionen betrifft die Ermittlung des inneren Aufbaus unserer Nachbarplaneten und ihrer mitunter zahlreichen Monde. Der Grund für das anhaltende Interesse an der inneren Beschaffenheit dieser Himmelkörper ist in den Auswirkungen des inneren Aufbaus auf eine Vielzahl global wirkender, planetarer Prozesse zu sehen. Unser heutiger Kenntnisstand hinsichtlich der Struktur des Erdinneren beruht zu einem erheblichen Teil auf der großen Anzahl von bislang gesammelten seismologischen Beobachtungen. Leider sind derartige Messungen für andere Himmelskörper noch immer nicht verfügbar, sondern beschränken sich auf die Erdoberfläche und (in weit geringerem Umfang) auf den Erdmond.

Ursprung und Entwicklung eines planetaren Körpers spiegeln sich in erster Linie in seiner chemischen Zusammensetzung wider, wohingegen Oberflächengeologie und tektonische Erscheinungsformen im Zusammenhang mit den vorherrschenden Wärmetransportmechanismen stehen, welche die Abfuhr der im Inneren produzierten Wärme zur Oberfläche regeln. Weitere Hinweise auf den thermischen Zustand des Inneren ergeben sich gelegentlich anhand von dynamogetriebenen und/oder induzierten Magnetfeldern, die an Reservoire elektrisch leitender Flüssigkeiten in größeren Tiefen gebunden sind. Eine flüssige Schicht innerhalb eines planetaren Körper bewirkt zudem die mechanische Entkoppelung des tiefen Inneren von weiter außen liegenden, oberflächennahen Bereichen. Dies hat zum einen Besonderheiten der seismischen Wellenausbreitung zur Folge, aber auch Auswirkungen auf das Deformationsverhalten eines planetaren Körper unter dem Einfluss äußerer Gezeiten. Weiterhin ist die Form des Gravitationsfeldes eng mit der radialen und lateralen Dichteverteilung im Inneren des betreffenden Körpers verknüpft. Hier ist insbesondere die polare Abplattung des Gravitationsfeldes bedeutsam, da sie ein Maß für die Konzentration der Masse zum Zentrum hin darstellt. Die wichtigste Kenngröße, anhand derer man - in Ermangelung seismologischer Daten - eine Vorstellung von der inneren Beschaffenheit eines planetaren Körpers erhält, ist dessen mittlere unkomprimierte Dichte. Diese gibt an, wie viel Masse durchschnittlich in einem Einheitsvolumen enthalten ist, und berücksichtigt zusätzlich die Eigenkompression des Inneren sowie druckbedingte Phasenänderungen, denen Gesteins bildende Minerale unter dem Gewicht der darüber liegenden Schichten möglicherweise unterliegen.

Die terrestrischen oder inneren Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars zeichnen sich durch geringe Massen, kleine Radien und hohe Dichten im Vergleich zu den gasreichen Riesenplaneten des äußeren Sonnensystems aus. Ihre chemische Zusammensetzung wird maßgeblich durch Gestein bildende Elemente und Metalle wie Eisen und Nickel bestimmt, welche sich unter dem Einfluss der Schwerkraft insbesondere im Kern anhäufen. Vermessungen ihrer Gravitations- und magnetischen Felder belegen, dass sich das Innere der terrestrischen Planeten ähnlich demjenigen der Erde in einen teilweise oder vollständig aufgeschmolzenen Kern, einen silikatischen festen Mantel und eine äußere Kruste unterteilt, welche von der teilweisen Aufschmelzung des Mantels herrührt. Die Druckverhältnisse, welche in den Mänteln von Erde, Venus und Mars vorherrschen, erlauben zudem Phasenübergänge von leichteren zu dichteren Mineralphasen, indem zumeist beteiligte Olivin- und Pyroxenminerale in ein kleineres Volumen gedrängt werden. Da die Tiefe, in der diese sprunghaften Dichteänderungen auftreten, außerdem von der Umgebungstemperatur und dem Eisengehalt der Mantelgesteine abhängen, können seismologische Messungen an planetaren Oberflächen zusätzliche Erkenntnisse über den thermischen Zustand und unterschiedliche chemische Zusammensetzungen der terrestrischen Planeten liefern.

Die Informationen zu diesem Highlight der Woche stammen von Dr. Frank Sohl aus der Abteilung Planetenphysik. Ein Hauptziel der Abteilung besteht in der modellhaften Herausarbeitung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden zwischen der Erde und den terrestrischen Planeten.