Institut für Planetenforschung
Berlin-Adlershof

Abteilung
Planetenphysik

Innerer Aufbau planetarer Körper

Eine wichtige wissenschaftliche Zielsetzung interplanetarer Raumfahrt-Missionen betrifft die Ermittelung 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 eben auf die Erdoberfläche und - in weit geringerem Umfang - auf den Erdmond.

Urspung 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, wieviel Masse durchschnittlich in einem Einheitsvolumen enthalten ist, und berücksichtigt zusätzlich die Eigenkompression des Inneren sowie druckbedingte Phasenänderungen, denen gesteinsbildende Minerale unter dem Gewicht der darüber liegenden Schichten möglicherweise unterliegen.

Die terrestrischen oder innere 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 gesteinsbildende 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 natürlichen Satelliten der äußeren Gasriesen ...
sind spektralen Beobachtungen zufolge, mit Ausnahme des Jupitermondes Io, von reinem Wassereis oder aber Mischungen aus Wasser-, Ammoniak-, und Methaneis bedeckt. Io, ein etwa erdmondgroßer, vulkanisch stark aktiver Himmelskörper, mag den Verlust flüchtiger Bestandteile der intensiven Erwärmung durch Gezeitenverformungen verdanken, denen das Satelliteninnere in der Nähe Jupiters unterliegt. Die niedrigen Dichten von Ganymed und Kallisto, Jupiters großen Eismonden, und Titan, dem größten Saturnmond, lassen darauf schließen, dass ihr Inneres zu fast gleichen Teilen aus Eis und Silikaten bzw. Metallen besteht. Die Dichte des Erdmondes und der inneren Jupitermonde Io und Europa weisen darauf hin, dass die Hauptbestandteile Silikate und Metalle sind. Europa wird zudem von einer tektonisch stark überprägten Eiskruste umgeben. Die Entdeckung induzierter Magnetfelder in der Umgebung der Jupitersatelliten Europa, Ganymed und Kallisto weisen jedoch auf die Existenz elektrisch leitender Reservoire flüssigen Wassers unter den oberen Eisschichten hin, die sogar mehr Wasser enthalten können, als alle Ozeane der Erde zusammengenommen. Die interne Differentiation der terrestrischen Planeten und großen Satelliten der Gasplaneten, welche zur Ausbildung von Kernen, Mänteln und Krusten führte, fand vermutlich rasch im Anschluß an die heftige Akkretion durch kollidierende Planetesimale statt.

Die Modellierung des Inneren planetarer Körper ...
zielt, basierend auf numerischen Berechnungen unter Zuhilfenahme von Labordaten physikalischer Materialeigenschaften, auf eine verbesserte Kenntnis von Ursprung, Entwicklung und gegenwärtigem Zustand des betreffenden planetaren Körpers ab. Die resultierenden radialen Profile der Dichte und weiterer Materialeigenschaften können mit Hilfe geophysikalischer und kosmochemischer Hinweise auf die Zusammensetzungen von Kruste, Mantel und Kern weiter eingeschränkt werden.

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