Unter der Oberfläche des Mars liegen Ablagerungen, die an Sandstrände auf der Erde erinnern. Das Radar des chinesischen Rovers Zhurong erfasste entlang einer 1,3 Kilometer langen Strecke 76 geneigte Schichten, die in Richtung des nördlichen Tieflands abfallen. Ihre Form und ihre Eigenschaften passen zu Sedimenten, die Wellen und Gezeiten an einer Küste ablagern. Der Befund stärkt die umstrittene Annahme, dass einst ein großer Ozean die nördlichen Ebenen des Roten Planeten bedeckte.
Die Untersuchung erschien am 24. Februar 2025 in den Proceedings of the National Academy of Sciences. Jianhui Li von der Guangzhou University leitete das internationale Team; zu den Mitautoren gehören Hai Liu, Benjamin Cardenas von der Pennsylvania State University und Michael Manga von der University of California, Berkeley. Für ihre Analyse werteten die Wissenschaftler Messungen des Bodenradars RoPeR aus, das an Bord der chinesischen Marsmission Tianwen-1 zum Einsatz kam. Eine begleitende Mitteilung der Pennsylvania State University erläutert den Vergleich mit irdischen Stränden.
Der Rover Zhurong landete im Mai 2021 in der südlichen Utopia Planitia. Diese ausgedehnte Ebene liegt auf der Nordhalbkugel des Mars und befindet sich in Reichweite von Regionen, in denen Orbiter bereits mögliche alte Küstenlinien identifiziert hatten. Zhurong untersuchte den Untergrund, bis er im Mai 2022 in einen erzwungenen Ruhezustand überging. Seine Radardaten erlauben einen Blick in Schichten, die von der heutigen Oberfläche aus unsichtbar bleiben.
RoPeR sendete elektromagnetische Wellen in den Boden und registrierte Signale, die an Grenzen zwischen unterschiedlichen Materialien zurückgeworfen wurden. Aus Laufzeit und Form der Echos rekonstruierten die Forscher die Lage unterirdischer Strukturen. Sie konzentrierten sich auf den niederfrequenten Kanal, der tiefere Schichten erfassen kann. Nach der Datenverarbeitung ließen sich 76 geneigte Reflektoren zwischen zehn und 35 Metern Tiefe identifizieren.
Alle diese Strukturen neigen sich in dieselbe Richtung: vom südlichen Hochland zum nördlichen Tiefland. Die gemessenen Winkel liegen zwischen sechs und 20 Grad; im Mittel beträgt die Neigung 14,5 Grad. Besonders wichtig ist ihre Verteilung. Die Reflektoren treten nicht nur an einem einzelnen Punkt auf, sondern ziehen sich über die ununterbrochene Messstrecke von 1,3 Kilometern hinweg durch den Untergrund.
Die Radarprofile zeigen mehrere annähernd parallele Schichten, die sich in unterschiedlichen Tiefen wiederholen. Solche übereinanderliegenden Lagen entstehen an Küsten, wenn Wasser Sediment transportiert und über längere Zeit ablagert. Der Untergrund bewahrt damit nicht einfach eine einzelne Sandbank, sondern eine Abfolge von Ablagerungsphasen. Sie dokumentiert, wie sich eine Küstenzone während des Wachstums oder Rückzugs des Wasserkörpers veränderte.
Die Forscher verglichen die Marsdaten mit Bodenradar-Aufnahmen irdischer Küsten. Ein besonders anschaulicher Vergleich stammt aus dem Gebiet des Golfs von Bengalen. Dort zeigen die Messungen ebenfalls geneigte Sedimentlagen, die in Richtung des tieferen Wassers abfallen. Auch die Winkel passen zusammen: An 21 untersuchten Küstenregionen der Erde reichen vergleichbare Neigungen von vier bis 26 Grad. Die Marswerte liegen innerhalb dieser Spanne.
An einem Strand bewegen Wellen und Gezeiten Sand und Kies immer wieder hin und her. Ein Teil des Materials wird dabei seewärts oder entlang der Küste transportiert und schließlich unter Wasser abgelagert. Wenn sich die Küstenlinie über lange Zeit verschiebt, entstehen geneigte Sedimentkörper. Geologen bezeichnen die flacheren Ablagerungen im Bereich zwischen Strand und offenem Wasser als Vorstrand- oder Küstensedimente.
Genau diese Geometrie erkennen die Wissenschaftler in den RoPeR-Daten. Die Schichten fallen gleichmäßig zum nördlichen Tiefland ab, also in die Richtung, in der der vermutete Ozean gelegen hätte. Ihre geringe relative Permittivität passt außerdem zu Sedimenten aus feinem bis mittelkörnigem Sand mit einem kleineren Anteil an Kieseln. Die Autoren halten deshalb Sand und Geröll als Bestandteile der Ablagerungen für plausibel.
Zusätzliche Hinweise liefert die Ausdehnung der Strukturen. Eine so lange Abfolge gleichgerichteter Küstensedimente spricht nach Interpretation des Teams für einen anhaltenden Sedimentnachschub. Ein kleiner, kurzlebiger Schmelzwassertümpel hätte kaum genügend Raum für die Wellenbewegung und den Materialtransport geboten, die zur Bildung solcher Ablagerungen nötig wären. Wahrscheinlicher ist ein großer Wasserkörper, dessen Ufer über längere Zeit von Wellen und Gezeiten geprägt wurde.
Die Autoren vermuten zudem, dass ein Fluss Sediment aus dem südlichen Hochland heranführte. Der Fluss selbst muss nicht direkt unter der Roverroute verlaufen sein. Er könnte Material aus größerer Entfernung in die Küstenzone transportiert haben, wo Wellen und Gezeiten es weiterverteilten. Damit ergibt sich ein Bild aus Hochland, Flusssystem, flachem Uferbereich und einem ausgedehnten Meer.
Geneigte Schichten können auf dem Mars verschiedene Ursachen haben. Flüsse lagern Sedimente ab, Wind formt Dünen und vulkanische Prozesse erzeugen ebenfalls geschichtete Gesteinskörper. Die bloße Neigung eines Radarreflektors reicht daher nicht aus, um eine Küste nachzuweisen. Das Team prüfte diese Alternativen anhand der Geometrie, der Verteilung und der elektrischen Eigenschaften des Untergrunds.
Für einen Ursprung durch Flüsse fehlen entlang der untersuchten Strecke typische Hinweise auf eingeschnittene Flussrinnen. Flussablagerungen können zwar geneigte Lagen bilden, doch die gleichmäßige Ausrichtung über die lange Messstrecke passt nach Ansicht der Autoren besser zu einer Küstenzone. Auch die Umgebung ist vergleichsweise flach und zeigt keine passenden Talnetzwerke, die eine lokale Flusslandschaft erklären würden.
Windgeformte Dünen besitzen gewöhnlich wechselnde Neigungen und charakteristische Kreuzschichtungen. Bei einer Dünenlandschaft wären die Radarreflektoren deshalb stärker unterschiedlich ausgerichtet. Solche Muster fanden die Forscher in den ausgewerteten Profilen nicht. Auch die Eigenschaften des Materials sprechen gegen eine vulkanische Erklärung: Typische Lavaablagerungen weisen eine höhere relative Permittivität auf als die im Untersuchungsgebiet ermittelten Werte.
Die Studie stellt damit nicht fest, dass jede geneigte Schicht auf dem Mars eine Küstenablagerung sein muss. Sie argumentiert enger: Die Kombination der beobachteten Merkmale in der südlichen Utopia Planitia passt am besten zu einem Küstenmilieu. In anderen Regionen können ähnliche Radarformen durchaus durch Magma oder andere Ablagerungsprozesse entstanden sein. Das zeigt auch der Vergleich mit dem Jezero-Krater, wo der Rover Perseverance geneigte Strukturen registrierte, deren Ursprung anders bewertet wird.
Die Ablagerungen liefern Hinweise auf die Dauer und Größe des früheren Wasserkörpers. Nach den Berechnungen des Teams dürfte die Küstenzone über einen längeren Zeitraum Sediment aufgenommen haben. Aus Ablagerungsraten vergleichbarer irdischer Küsten leiten die Autoren eine mögliche Dauer der warmen und feuchten Phase von mehreren zehn Millionen Jahren ab. Das ist eine Schätzung aus geologischen Analogien, keine direkte Datierung jeder einzelnen Marslage.
Die Studie ordnet die Ablagerungen dem späten Hesperium zu, einer geologischen Epoche des Mars. In der öffentlichen Einordnung wird die mögliche Existenz des Ozeans häufig auf etwa 3,5 bis vier Milliarden Jahre vor heute datiert. Der genaue Zeitpunkt und die Dauer der Küstenbildung sind nach Aussage der Fachautoren jedoch noch nicht ausreichend eingegrenzt. Sicher ist vor allem, dass die Schichten eine länger anhaltende Ablagerung in einem großen Wasserkörper nahelegen.
Ein solcher Ozean hätte die Landschaft und das Klima des frühen Mars beeinflusst. Wasser könnte aus dem Hochland in Flüsse gelangt sein, Sediment abgetragen und an tiefer gelegenen Küsten abgelagert haben. Mit dem allmählichen Verlust der Oberflächenfeuchtigkeit endete die Sedimentation. Später bedeckten Staub, vom Wind transportiertes Material und weitere Ablagerungen die Küstenstrukturen. Gerade diese Überdeckung schützte sie teilweise vor der Erosion, die ältere Oberflächenformen über Milliarden Jahre verändern kann.
Frühere Hinweise auf Wasser stammen unter anderem aus Tälern, Deltas, ehemaligen Seebecken und mineralisch veränderten Gesteinen. Auch die Zweiteilung des Mars in nördliche Tiefebenen und südliche Hochländer spielt bei der Rekonstruktion der alten Wasserverteilung eine Rolle. Ein früherer Befund zu einer ungewöhnlich warmen Zone im Marsmantel verdeutlicht, wie stark sich die beiden Hemisphären auch im Inneren unterscheiden können. Die nun untersuchten Sedimente ergänzen diese Indizien um eine geologische Struktur, die direkt mit einer Küstenlinie vergleichbar ist.
Die Radaruntersuchung hat keine Wasserprobe und keinen Strandkiesel geborgen. RoPeR misst Reflexionen elektromagnetischer Wellen; die geologische Bedeutung entsteht erst durch die Auswertung und den Vergleich mit bekannten Ablagerungsformen. Das Team konnte die unterirdischen Schichten deshalb nicht direkt anfassen oder ihre Zusammensetzung im Labor bestimmen. Die Interpretation bleibt eine gut begründete Schlussfolgerung aus mehreren zusammenpassenden Merkmalen.
Auch die grundsätzliche Ozeanhypothese ist seit Jahrzehnten Gegenstand wissenschaftlicher Diskussion. Orbiterbilder zeigen Formen, die wie alte Küstenlinien aussehen, doch diese liegen nicht überall auf derselben Höhe. Verschiebungen der Marskruste, große vulkanische Aufwölbungen und spätere geologische Veränderungen könnten solche Unterschiede teilweise erklären. Zugleich können Wind, Einschläge und andere Prozesse ursprüngliche Küstenformen verändert oder ausgelöscht haben. Die Fachautoren nennen diese Schwierigkeiten ausdrücklich als Grund, weshalb die Ozeanfrage umstritten bleibt.
Der neue Befund schließt diese Debatte nicht ab. Er liefert jedoch eine zusätzliche, vom Oberflächenbild unabhängige Datenart: Radarprofile aus dem Untergrund. Dass die Strukturen über eine lange Strecke einheitlich geneigt sind und mehrere Küstenmerkmale gleichzeitig erfüllen, macht die Küstendeutung stärker als eine bloße Ähnlichkeit auf Satellitenbildern. Die Ablagerungen passen zu einem großen, länger bestehenden Wasserkörper und nicht nur zu einem örtlich begrenzten Schmelzwasserereignis.
Für die Suche nach früherem Leben ist vor allem die Umgebung einer Küste interessant. Dort treffen Wasser, Gestein, Sedimente und Atmosphäre aufeinander. Auf der Erde gelten solche Übergangszonen als mögliche Orte, an denen frühe Lebensformen entstanden sein könnten. Die Marsdaten belegen kein Leben und keine organischen Spuren. Sie helfen aber dabei, Regionen einzugrenzen, in denen über längere Zeit flüssiges Wasser vorhanden gewesen sein könnte.
Ein weiterer Hinweis auf die Bedeutung der Wasserfrage stammt aus den Radarmessungen am Südpol des Mars. Dort wurden starke Reflexionen zunächst als möglicher Hinweis auf flüssiges Wasser unter dem Eis diskutiert, später aber auch durch andere geologische Erklärungen gedeutet. Solche Fälle zeigen, warum einzelne Radarsignale vorsichtig interpretiert werden müssen. In Utopia Planitia ergibt sich die Küstendeutung nicht aus einem isolierten Echo, sondern aus der räumlichen Anordnung vieler übereinanderliegender Schichten.
Die Zhurong-Messungen machen damit eine Landschaft sichtbar, die seit Milliarden Jahren unter jüngeren Ablagerungen verborgen liegt. Wo heute eine staubige Ebene liegt, befand sich nach der Interpretation des Forschungsteams einst ein flacher Küstenbereich. Die geneigten Sedimentlagen bewahren den Verlauf dieses alten Ufers im Untergrund, auch wenn die damalige Wasseroberfläche längst verschwunden ist.
Titelbild: Marsrover Zhurong neben dem Tianwen-1-Lander auf der Marsoberfläche von China News Service / CNSA, Wikimedia Commons, Lizenz CC BY 4.0, zugeschnitten.
Jianhui Li et al., Proceedings of the National Academy of Sciences: Ancient ocean coastal deposits imaged on Mars; doi:10.1073/pnas.2422213122
Penn State: Gulf of Mars: Rover finds evidence of ‘vacation-style’ beaches on Mars
Reuters: Evidence of beaches from ancient Martian ocean detected by Chinese rover
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