Schlüsselwörter: Mars; Phobos; Deimos; Tharsis; Pavonis Mons; Rotationsspaltung; zirkumplanetarer Ring; Korotationsradius; Gezeitenentwicklung; MMX

Methodischer Rahmen

Jede Zahl gehört zum jungen Mars zur Zeit der beiden Freisetzungen, sofern die Zeile nicht „heute“ angibt. Der junge Mars wird als homogen behandelt, wie es ein ungetrennter, an flüchtigen Stoffen reicher Planet wäre.

Tabelle 1. Die Arbeitsumgebung. Die Schattierung markiert die beiden Momente der Freisetzung.

ADas planetare Rätsel

A.1Zwei Monde zu beiden Seiten einer Linie

Phobos und Deimos sind klein, dunkel und leicht. Phobos misst im Mittel etwa 22 km, Deimos etwa 12. Ihre Gesamtdichten — 1,853–1,887 kg m$^{-3}$ für Phobos und 1,471 kg m$^{-3}$ für Deimos — bedeuten, dass ein Drittel bis die Hälfte jedes Körpers leerer Raum ist (Pätzold et al. 2025; NASA/JPL Solar System Dynamics). Beide umkreisen den Mars fast genau über seinem Äquator, auf fast kreisförmigen Bahnen. Phobos, 9,375 km vom Marszentrum entfernt, braucht für einen Umlauf 7.65 Stunden, dreimal an jedem Marstag; Deimos, bei 23,463 km, braucht 30.3 Stunden.

Zwischen ihnen verläuft der Korotationsradius, heute 20,428 km: der Abstand, in dem ein Körper auf freier Umlaufbahn mit der Rotation des Planeten selbst Schritt hält (der Abstand, in dem ein Körper, der sich mit dem Planeten mitdreht, sich bereits mit Bahngeschwindigkeit bewegt). Die Gezeiten wirken auf den beiden Seiten dieser Linie in entgegengesetzte Richtungen. Innerhalb von ihr eilt ein Mond der Rotation des Planeten voraus; der Gezeitenwulst folgt ihm nach und bremst ihn, und Phobos sinkt spiralförmig nach unten. Außerhalb von ihr bleibt ein Mond hinter der Rotation zurück; der Gezeitenwulst läuft ihm voraus und zieht ihn vorwärts, und Deimos entfernt sich langsam. Jede Erklärung der Entstehung der Monde muss daher Phobos innerhalb der Linie und Deimos außerhalb von ihr platzieren.

A.2 Zwei verschiedene Gesichter

Die Oberflächen der beiden Monde sind völlig verschieden. Deimos ist glatt und gerundet: Seine Krater sind flach und abgetragen, und er hat keine Rillen. Phobos ist rau: Ausgedehnte Systeme langer paralleler Rillen durchziehen ihn, und Ketten von Gruben verlaufen neben ihnen. An seinem stumpfen Ende, zur vorauslaufenden Seite seiner Bahn hin, öffnet sich die Senke Stickney, 9 km im Durchmesser (Thomas et al. 1979; Basilevsky et al. 2014). Eine Erklärung der Entstehung der Monde sollte sagen, warum zwei Körper desselben Planeten so verschiedene Oberflächen tragen.

A.3Der Wasserhaushalt des Mars

Die Oberfläche des Mars bewahrt Spuren von Flüssen und Seen aus seiner Vergangenheit. Seine Atmosphäre ist heute im Vergleich zu den Erdozeanen etwa sechs- bis siebenfach an schwerem Wasserstoff (Deuterium) angereichert — das Kennzeichen eines langen Wasserverlusts an den Weltraum; der frühe Planet hielt mindestens das Äquivalent einer globalen Schicht von 137 m Tiefe (Villanueva et al. 2015).

Andererseits fand das Seismometer des Landers InSight, dass die mittlere Kruste unter ihm, zwischen 11.5 und 20 km Tiefe, am besten durch Material erklärt wird, dessen Poren mit flüssigem Wasser gefüllt sind — genug, wenn dasselbe für den ganzen Planeten gilt, für eine globale Schicht von 1–2 km Tiefe (Wright, Manga & Panning 2024). Der Mars verlor viel von seinem Wasser und behielt viel davon. Eine Erklärung der Monde, die Wasser einbezieht, sollte sagen, wohin jeder Teil gelangte.

A.4 Herkömmliche Theorien und ihre Grenzen

Drei mögliche Ursprünge der Monde werden heute in der Literatur diskutiert.

Einfang zweier kleiner Asteroiden passt zur dunklen Farbe und zum Spektrum der Monde, aber nicht zu ihren Bahnen: Ein eingefangener Körper kommt auf einer geneigten, exzentrischen Bahn an, und es wurde kein Mechanismus gezeigt, der zwei solche Bahnen in äquatoriale Kreise verwandelt.

Ein Riesenimpakt eines fremden Körpers auf den Mars wirft eine Trümmerscheibe auf, aus der die Monde akkretieren. Eine solche Scheibe legt sich in die Äquatorebene und erklärt die Bahnen gut, und dies ist heute die führende Erklärung (Rosenblatt et al. 2016; Hyodo et al. 2017; Canup & Salmon 2018).

Ring–Mond-Zyklen beginnen ebenfalls mit dem Impakt eines fremden Körpers: Seine Trümmer bilden einen Ring um den Mars, und am Außenrand des Rings sammelt sich ein Mond. Der Mond, innerhalb der Korotationslinie, wird von den Gezeiten nach unten gezogen, bis er an der Roche-Grenze zerbricht und wieder zu einem Ring wird, aus dem sich ein kleinerer Mond bildet; der Zyklus könnte sich drei- bis siebenmal wiederholt haben, jeder Mond etwa fünfmal kleiner als der vorige. Phobos ist der jüngste dieser Monde und Deimos ein Überlebender der ersten Scheibe (Hesselbrock & Minton 2017).

In allen dreien werden die verschiedenen Gesichter der beiden Monde getrennt von ihrer Entstehung erklärt: durch Gezeiten, durch Auswurf aus Stickney oder durch spätere Impakte (Hurford et al. 2016; Ramsley & Head 2019).

Die Isotope unterscheiden die Erklärungen:

Einfang. Ein eingefangener Asteroid trägt den isotopischen Fingerabdruck seines eigenen Mutterkörpers, nicht den des Mars.

Ein Riesenimpakt eines fremden Körpers. In Impaktsimulationen enthält die Scheibe, aus der die Monde akkretieren, einen großen Anteil des fremden Körpers — etwa 30% ihres äußeren Teils und bis zu 65% des Ganzen (Hyodo et al. 2017) — und ihr Material wurde geschmolzen und teilweise verdampft, was die Isotope mäßig flüchtiger Elemente wie Zink und Kalium verschiebt.

Ring–Mond-Zyklen. Sie beginnen mit der Scheibe eines äußeren Impakts und erben deren Mischung.

Für die anerkannten Erklärungen ist ein Mond allein mit den Isotopen des Mars eine Schwierigkeit. Die hier vorgeschlagene Erklärung legt sich darauf fest: Die Sauerstoff-, Chrom- und Titanisotope beider Monde sind die des Mars, ohne fremde Komponente und ohne Verschiebung durch Verdampfung (N.1). Die Proben von Phobos, die MMX 2031 zurückbringt, werden entscheiden.

BDer junge Mars

B.1 Das Grundpostulat

Ein Mond besteht aus seinem Mutterkörper. Auf der Erde hob die Rotation früh eine birnenförmige Figur vom Äquator empor; ihre Spitze kreuzte die Korotationslinie und wurde zum Mond, und der Rest der birnenförmigen Figur kehrte zurück. Wir nehmen dies als Regel: Jeder Planet mit einem Mond hob in seiner Vergangenheit an seinem Äquator eine Struktur empor, die sein Material zur Korotationslinie trug. Auch der junge Mars fällt unter diese Regel, doch was er emporhob, war kleiner: keine birnenförmige Figur, sondern eine sich verjüngende Auswölbung (§C.1). Was ihn verließ, war nicht ihre Spitze selbst, sondern zwei Körper, sanft freigesetzt aus einem Vulkan, der hoch oben auf ihr stand.

B.2Physikalische Anfangseigenschaften

Der junge Mars war heiß, reich an Wasser und Gas und noch nicht in Schichten getrennt. Sein mittlerer Radius wird mit dem 1.5-fachen des heutigen angesetzt, 5,084 km, für eine mittlere Dichte von 1,166 kg m$^{-3}$ — die Dichte des Materials, das er später abgab, und seiner beiden Monde. Er zog sich später zusammen, als er seine flüchtigen Stoffe verlor und abkühlte.

B.3 Rotationsgeschwindigkeit und Trägheitsmoment

Das Modell. Der junge Mars drehte sich mit einem Tag von sieben bis neun Stunden: 7.3 Stunden, als Deimos ihn verließ, und 8.3 Stunden, als Phobos ihn verließ. Seine Bremse war das Material, das durch die Korotationslinie entwich (§E.2); sie brachte ihn auf die 24.6 Stunden von heute.

Stütze aus Studien zur Planetenentstehung. Simulationen der Planetenentstehung geben jungen erdähnlichen Planeten eine schnelle Rotation: Einige große Kollisionen in den letzten Phasen des Wachstums bestimmen den größten Teil des Drehimpulses, und das typische Ergebnis ist ein Tag von wenigen Stunden (Kokubo & Genda 2010). Allein aus kleinen Körpern aufgebaut, würde sich der Mars in etwa 250 Stunden drehen; seine Rotation wurde also durch Kollisionen bestimmt (Miguel & Brunini 2010).

Stütze aus der Theorie rotierender Körper. Wie schnell konnte sich der junge Mars drehen? Nach der klassischen Theorie rotierender Flüssigkeitskörper (Chandrasekhar 1969) bleibt ein homogener Körper der Dichte 1,166 kg m$^{-3}$ nur dann ein achsensymmetrisches Sphäroid (ein Maclaurin-Sphäroid), wenn sein Tag länger als 5.27 Stunden ist, und schon unterhalb von 5.77 Stunden bevorzugt er eine gestreckte, dreiachsige Figur (ein Jacobi-Ellipsoid). Ein Tag von sieben bis neun Stunden liegt sicher im stabilen Bereich.

B.4Rotationsbedingte Abplattung

Ein rotierender homogener Körper plattet sich ab (ein Maclaurin-Sphäroid), umso stärker, je schneller er sich dreht. Die langsamere Rotation hält die Abplattung mäßig:

Tabelle 2. Der homogene junge Mars bei fünf Rotationsgeschwindigkeiten; 7.3 und 8.3 Stunden sind die Tage der beiden Freisetzungen (Deimos und Phobos). Die Farbe verblasst, wenn Rotation und Abplattung abnehmen. Eine gestreckte Figur wird oberhalb von $\Omega^2/\pi G\rho=0.374$ bevorzugt (ein Tag von 5.8 h); das Sphäroid zerbricht bei 0.449 (5.27 h) (Chandrasekhar 1969).

Wegen der Abplattung liegt der Äquator 350–500 km über dem mittleren Radius, sodass die Auswölbung von angehobenem Grund ausgeht.

C Die sich verjüngende Auswölbung

C.1Mechanik rotierender Flüssigkeiten

Ein Flüssigkeitskörper, der sich nicht dreht, strebt zur Kugel; wenn er sich dreht, plattet er sich ab. Maclaurin (1742) zeigte, dass ein abgeplattetes Sphäroid eine Gleichgewichtsfigur einer homogenen rotierenden Flüssigkeit ist, und Jacobi (1834), dass es jenseits einer bestimmten Rotation eine weitere Figur gibt, ein in der Äquatorebene gestrecktes Ellipsoid. Poincaré (1885) fand, dass birnenförmige Figuren von der Jacobi-Folge abzweigen, und Darwin (1902) stützte darauf seine Erklärung eines Mondes, der die Erde über ein birnenförmiges Stadium verließ. Ljapunow (1905), Jeans (1917) und Cartan (1924) zeigten, dass die birnenförmige Figur nicht stabil ist: Sie ist ein vorübergehendes Stadium, kein dauerhafter Zustand (Chandrasekhar 1969; Iurato 2014). Körper behalten zudem eine Form, die nicht mehr zu ihrer Rotation passt, weil sie erstarrte, als ihre Kruste fest wurde: Iapetus dreht sich einmal in 79 Tagen, hat aber die Form einer 16-Stunden-Rotation (Castillo-Rogez et al. 2007), der Mond trägt einen fossilen Wulst (Garrick-Bethell et al. 2006), und Haumea, die sich einmal in 3.9 Stunden dreht, ist durch ihre Rotation stark gestreckt (Ortiz et al. 2017).

Simulationen der Planetenentstehung geben den Planeten in ihren ersten Stadien eine schnelle Rotation, einen Tag von wenigen Stunden (§B.3). Ihr Inneres war nicht symmetrisch: Im Mantel des jungen Mars konnte sich eine auf eine Hemisphäre konzentrierte Strömung entwickeln (Zhong & Zuber 2001), und bis heute fällt der Massenmittelpunkt des Mars nicht mit seinem Figurmittelpunkt zusammen, sondern ist um etwa 3 km gegen ihn versetzt (Zuber et al. 1998). Die Differentiation begann sehr früh — auf dem Mars trennte sich Metall innerhalb weniger Millionen Jahre vom Silikat (Dauphas & Pourmand 2011) —, doch sie ist ein langer, stufenweiser Prozess, der bis heute andauert: Der innere Kern der Erde wächst noch immer (Labrosse et al. 2001).

Eine sich verjüngende Auswölbung und eine birnenförmige Figur. Ein rotierender Planet kann an seinem Äquator zwei verschiedene Strukturen ausbilden. Die, die der Mars ausbildete, nennen wir eine druckgetriebene, sich verjüngende planetare Auswölbung — kurz die Auswölbung. Sie ist lokal: Material der äußeren Schichten steigt nach außen auf, gespeist und getragen von Druck aus dem Inneren, während das Innere kaum beteiligt ist. Eine birnenförmige Figur ist planetar: Das Innere bewegt sich, und die äußeren Schichten reiten darauf. Der Mars blieb vor einer birnenförmigen Figur stehen.

Tabelle 3. Eine sich verjüngende Auswölbung und eine birnenförmige Figur. Die Farbe markiert den Unterschied im Maßstab und in der jeweils benötigten Rotation.

Wie die Auswölbung wächst.

1. Ein junger, weicher, schnell rotierender Mars. Die Rotation schiebt den Planeten von seiner Achse nach außen, am stärksten am Äquator. Eine Streckung des ganzen Planeten, eine birnenförmige Figur, bräuchte einen Tag kürzer als 5.8 Stunden; der Mars lag mit 7–9 Stunden unter dieser Schwelle (Tabelle 2). Die Auswölbung braucht sie nicht.

2. Die Rotation schiebt Masse zum Äquator. Abseits des Äquators hat der nach außen gerichtete Schub der Rotation eine Komponente entlang der Oberfläche, die zum Äquator weist. In einem weichen Körper bewegt sie Material, Magma und Wasser von den Polen und mittleren Breiten zum Äquator, wo sich ein dicker Gürtel bildet: die Abplattung.

3. Der Ort mit der meisten Masse steigt auf, kühlt ab und baut sich von innen auf. Der Gürtel ist nicht gleichmäßig; an einem Ort sammelt sich mehr Material als irgendwo sonst. Dort schiebt die Rotation am stärksten, und das Material steigt nach außen auf. Eine Auswölbung kühlt ab, weil sie hervorragt: Sie ist weit vom heißen Inneren entfernt und dem Weltraum ausgesetzt. Ihr Material zieht sich zusammen und wird dicht und steif, sodass es nicht zurücksinkt, und ihre Überschussmasse zieht weiteres Material aus der Umgebung an. An ihrer Spitze, wo die Last am geringsten ist, sickert Material aus dem Inneren heraus und breitet sich über die Auswölbung selbst aus, kühlt ab und fügt eine Schicht hinzu — so wie Seamounts aus Kissenlava am Meeresboden der Erde wachsen und Lavadome von innen anschwellen. Nur zeitweise wird Material herausgeschleudert. In einem Planeten, der sich nicht dreht, hebt eine breite Aufwölbung die Niveaufläche über sich nur um etwa drei Fünftel ihrer eigenen Höhe an und sinkt zurück; Rotation und Druck aus dem Inneren gleichen den Rest aus. Je größer die Auswölbung, desto weiter ragt sie hervor, desto stärker kühlt sie ab und desto mehr zieht sie an. Sie verlängert sich und verjüngt sich zu einer schmalen Spitze.

4. Die Auswölbung neigt sich nach Westen. Das Material, das sie erreicht, kommt von Orten näher an der Achse, wo es sich langsamer bewegte; es behält seinen Drehimpuls und bleibt hinter der Rotation zurück.

Der Höhepunkt. Die Auswölbung steht. Der Mars verlangsamt sich auf 7.3 und dann auf 8.3 Stunden, und in dieser Zeit verlassen Deimos und Phobos ihn von Pavonis aus, nahe ihrer Spitze (§D, E).

Wie die Auswölbung zurückgeht.

5. Die Auswölbung selbst bremst den Planeten. Wenn sich Masse von der Achse entfernt, verlangsamt sich der Planet, wie eine Tänzerin, die ihre Arme ausbreitet; auch das Wasser und Gas, die durch die Korotationslinie entweichen, nehmen Drehimpuls mit (§E.2).

6. Der Planet differenziert sich und kühlt ab. Schweres Material sammelt sich im Zentrum, und ein Körper, dessen Masse in seinem Zentrum konzentriert ist, neigt nicht mehr dazu, solche Strukturen auszubilden (Jeans 1919). Die Abkühlung erhöht die Viskosität.

7. Die Auswölbung zieht sich nach innen zurück und hinterlässt ihre Spuren. Sobald die Rotation nachlässt, zieht sich die Auswölbung nach innen zurück; ihr Material wird vom Planeten wieder aufgenommen und differenziert. Solange der Mars weich ist, legt sie sich nach Westen nieder, so wie sie sich neigte; während er erstarrt, verlangsamt sich die Rückkehr und bleibt auf halbem Weg stehen, und der Rest erstarrt. Die Spuren sind die dieser Arbeit: Tharsis, der Körper, der sich niederlegte (§C.3–C.6); Noctis Labyrinthus, der Hals, der brach, und Valles Marineris mit seiner Entwässerung, der Weg, auf dem das Material zurückfloss (§H.2–H.4); die lange Achse des Äquators und das hohe Geoid; und die Figur des Mars, noch immer zur Auswölbung hin versetzt (§C.7).

C.2 Diagnostische Kriterien

Die folgenden Kriterien legen die Spuren dar, die eine Auswölbung hinterlassen sollte, nachdem sie zurückgegangen ist und sich niedergelegt hat. Sie sind vernünftig, nicht starr: Eine Auswölbung, die zurückgegangen ist und sich niedergelegt hat, muss nicht jedes von ihnen vollständig erfüllen. Jedes ist an das gebunden, was es stützt.

Tabelle 4. Zehn Kriterien für eine vergangene Auswölbung. Der Mars wird in §C.9 an ihnen geprüft.

C.3Physiographie der Auswölbung

In der vom Laseraltimeter MOLA gemessenen Topographie (Smith et al. 2001), hier in Kugelfunktionen aus dem Formmodell MarsTopo719 (Wieczorek 2015) entwickelt, liegt die Auswölbung entlang des Äquators, knapp südlich von ihm. Sie reicht von ihrer Basis bei 294.7$^\circ$E, 12.5$^\circ$S, in Valles Marineris, bis zu ihrer Spitze bei 243.9$^\circ$E, 5.4$^\circ$S. Ihre Länge beträgt 2,996 km auf der heutigen Oberfläche und 4,800–4,920 km auf dem jungen, ausgedehnten Mars (§C.6; Abbildung 3).

Jenseits der Spitze, im Westen, stehen die Tharsis-Vulkane. Arsia, knapp jenseits der Spitze, liegt auf der Verlängerung der Achse der Auswölbung, 4.1$^\circ$ seitlich davon, und sein Bau ist gestreckt: oberhalb der 9-km-Höhenlinie von MOLA misst er 730 mal 415 km (Verhältnis 1.75), seine lange Achse verläuft nach Nordnordost — ein Körper an der Spitze, ausgezogen, als die Auswölbung abgeflacht und niedergelegt wurde.

C.4Rotationsbedingtes Zurückbleiben und Westneigung

Während die Auswölbung aufstieg, musste ihre gestreckte Spitze immer schneller um das Zentrum des Planeten getragen werden; weil der Drehimpuls erhalten bleibt, blieb sie hinter der Rotation zurück und neigte sich nach Westen, wie es die birnenförmige Figur der Erde tat. Sie war am Äquator gewachsen (§C.1), und der Druck aus dem Inneren speiste und trug sie. Als die Monde fort waren und die Schlote offen standen und als die Rotation nachließ, das Innere sich differenzierte und der Planet abkühlte, stürzte die Auswölbung nicht: Sie legte sich allmählich nieder, über zehn bis hunderte Millionen Jahre, und das Zurückbleiben wirkte die ganze Zeit auf sie. Sie legte sich so nieder, wie sie sich neigte — nach Westen, gegen die Rotation.

C.5 Asymmetrie der topographischen Hänge

Ein Körper, der sich nach Westen niederlegte, sollte in einer steilen Westfront enden, der ein langer, sanfter Hang im Osten gegenübersteht. Gemessen vom Kamm der Tharsis bis dorthin, wo das Gelände auf null abfällt, entlang von Breitenbändern (Topographie geglättet über etwa 9$^\circ$):

Tabelle 5. Die beiden Flanken der Tharsis. Rot: die steile Westfront; blau: der sanfte Osthang. Nördlich von 5$^\circ$N fällt der Osten steil in Chryse und Kasei Valles ab.

Entlang des Äquators und südlich davon ist die Westfront zwei- bis dreimal steiler als der Osthang (Abbildung 4), wie es von einem Körper zu erwarten ist, der sich nach Westen niederlegte.

C.6Die paläotopographische Rekonstruktion

Die Länge von 2,996 km wird an der liegenden Auswölbung gemessen, vom östlichen Punkt ihrer Basis bis zu ihrer Spitze. Als die Auswölbung stand, war diese Linie nicht ihre Höhe: Sie verläuft vom Rand der Basis zu einer Spitze, die über der Mitte der Basis steht. Sie ist die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks, dessen andere zwei Seiten die Höhe $h$ und die halbe Breite der Basis $b$ sind: $$h=\sqrt{L^2-b^2}.$$ Wir haben $b$ an der MOLA-Topographie gemessen, quer zur Achse der Auswölbung an ihrer Basis, geglättet wie in Tabelle 5. Nach Norden fällt die Aufwölbung 1,280–1,400 km von der Achse entfernt auf 0 km ab, am Rand von Kasei Valles und Chryse; nach Süden wird kein Rand erreicht, denn die Achse verläuft entlang Valles Marineris, und das südliche Hochland setzt sich darüber hinaus fort. Nimmt man den Nordrand als halbe Breite einer runden Basis, $b=1{,}340$ km heute; die Mitte der Basis liegt nahe 272$^\circ$E, 10$^\circ$S.

Mit den heutigen Maßen stünde die Auswölbung $$h=\sqrt{2{,}996^2-1{,}340^2}=2{,}680\ \text{km}.$$

Auf dem jungen Mars waren die Maße andere. Der Mars war 1.5-mal größer und, von geringer Dichte und schnell rotierend, zu einem Sphäroid abgeplattet (Tabelle 2). Entlang seines angehobenen Äquators, wo die Auswölbung liegt, skalieren die Längen mit dem Äquatorradius $a$: 1.60-mal die heutigen bei 8.3 Stunden, 1.64-mal bei 7.3 Stunden. Quer zum Äquator, in Nord-Süd-Richtung, staucht die Abplattung sie, im Verhältnis $c^2/a$. Die Hypotenuse wächst daher stärker als die halbe Breite der Basis:

Als Phobos ihn verließ, stand die Auswölbung 4,580 km hoch (Abbildung 5). Jeder Punkt der Auswölbung wird auf dieselbe Weise getragen: Ein Punkt im Abstand $s$ vom östlichen Punkt der Basis, entlang der liegenden Auswölbung, steht $\sqrt{s^2-b^2}$ über der Basis, wenn die Auswölbung steht. Auf der liegenden Auswölbung liegt das höchste Gelände an der Spitze — Pavonis und Arsia —, und die Basis liegt tief, in Valles Marineris.

C.7Die gravimetrische Signatur

Wir haben das Schwerefeld GMM-3 des Mars (Genova et al. 2016) bis zum Grad 90 entwickelt.

Die lange Achse des Äquators. Der Äquator des Mars ist nicht rund. Im breitesten Teil des Feldes, Grad 2, weist seine lange Achse nach 255$^\circ$E: auf die Auswölbung, zwischen ihre Spitze (243.9$^\circ$E) und die Mitte ihrer Basis (272$^\circ$E), und nahe an die lange Achse der Form des Mars bei 252$^\circ$E (Frage und Antwort 5). Ein Körper, der sich symmetrisch um seine Achse dreht, hat einen runden Äquator; dieser Teil des Feldes wird daher durch die heutige Rotation nicht erklärt. Er ist eine erstarrte Form, wie auf Iapetus.

Das breite Hoch. Behält man nur die breitesten Teile des Feldes, die Grade 2 und 3 — die große Struktur, nicht einzelne Berge —, so ist das Geoid am höchsten bei 6.5$^\circ$N, 253.5$^\circ$E, zwischen Pavonis und Ascraeus, an der Spitze der Auswölbung (Abbildung 6).

Olympus ausgenommen. Olympus Mons steht abseits der Auswölbung, ein einzelnes Bauwerk, dessen Last seine eigene ist. Nimmt man ihn aus dem vollen Feld heraus (innerhalb von 8$^\circ$, 10$^\circ$ oder 12$^\circ$ um sein Zentrum; das Ergebnis ist in allen drei Fällen dasselbe), so liegen das höchste Geoid und die stärkste Freiluftschwere beide bei 11.5$^\circ$N, 255.5$^\circ$E, auf Ascraeus, dem nördlichsten der drei Tharsis Montes.

Der Mars trägt die Auswölbung noch immer. Der erste Grad des MOLA-Formmodells, bezogen auf den Massenmittelpunkt, ergibt die Versetzung des Figurmittelpunkts gegenüber dem Massenmittelpunkt. Ihr Nord-Süd-Anteil, 3.0 km, ist die bekannte Versetzung der Hemisphären (Zuber et al. 1998). Ihr Anteil in der Äquatorebene beträgt 1.37 km, in Richtung 262.7$^\circ$E — auf der Achse der Auswölbung, zwischen ihrer Spitze (243.9$^\circ$E) und der Mitte ihrer Basis (272$^\circ$E). Die Figur des Mars wölbt sich noch immer zur Auswölbung hin: eine sehr schwache Auswölbung, genau in der Richtung der Auswölbung des Modells. Der Kern musste sich nicht bewegen, damit die Auswölbung stehen konnte; falls er versetzt ist, sollte die Versetzung zur Auswölbung hin weisen. Seine heutige Lage ist nicht gemessen und ist eine Vorhersage für ein künftiges seismisches Netz auf dem Mars (Anhang B, B16).

Von der Basis zur Spitze. Die Freiluftschwere steigt entlang der Auswölbung stetig an, von der östlichen Basis bis zur Spitze:

Tabelle 6. Freiluftschwere an der Oberfläche, GMM-3 Grade 2–90 ohne den Abplattungsterm $C_{20}$. Die Farbe vertieft sich von der Basis zur Spitze.

C.8 Strukturgeologie

Anderson et al. (2001) kartierten 24,452 Gräben und Rücken um Tharsis und teilten sie in fünf Stadien ein, vom Noachium bis zum Amazonium. In jedem Stadium liegt das Zentrum der radialen Brüche auf dem Hochgebiet der Tharsis: die großen frühen Zentren in Claritas und Syria, zwischen der Basis und der Spitze, und das letzte Stadium mit dem Zentrum nahe Pavonis, an der Spitze der Auswölbung. Der größte Teil der Masse der Tharsis war am Ende des Noachiums vorhanden, in den ersten hunderten Millionen Jahren des Mars (Phillips et al. 2001), und die tektonische Aktivität um sie war zu Beginn am größten und nahm mit der Zeit ab (Anderson et al. 2001).

C.9Der Mars im Vergleich mit den Kriterien

Dies sind die Befunde auf dem Mars, verglichen mit den zehn Kriterien von Tabelle 4:

Tabelle 7. Die Auswölbung des Mars im Vergleich mit den zehn Kriterien von Tabelle 4. Grün: erfüllt. Orange: beruht auf dem Modell.

Neun der zehn Kriterien sind durch Beobachtung erfüllt; das zehnte beruht auf dem Modell. Tharsis trägt jedes Merkmal, das eine Auswölbung hinterlassen würde, die aufstieg, zurückblieb, sich nach Westen niederlegte und entlang ihrer Achse zurück entwässerte.

DVulkanische Dynamik am Scheitel

D.1 Schwerkraft und seitliche Beschleunigung entlang der Auswölbung

Wieder aufgerichtet, trägt die Auswölbung jeden Vulkan auf eine Höhe $\sqrt{s^2-b^2}$ über der Basis, wobei $s$ sein Abstand vom östlichen Punkt der Basis ist (§C.6). In diesen Höhen nimmt die Schwerkraft mit dem Quadrat des Abstands vom Zentrum des Mars ab, während die Rotation proportional zu ihm nach außen schiebt. Für jeden Vulkan gibt es einen Tag, an dem die Korotationslinie genau durch seinen Schlot verläuft; bei jedem kürzeren Tag steht der Schlot jenseits der Linie.

Tabelle 8. Die drei Tharsis Montes auf der stehenden Auswölbung des jungen Mars, Abplattung eingeschlossen und Längen gestreckt wie in §C.6, jeweils bei dem Tag, an dem die Linie durch ihren Schlot verläuft. Positionen sind entlang der Auswölbung ab ihrer Basis und quer zu ihrer Achse gemessen; Prozentangaben beziehen sich auf die Schwerkraft an der mittleren Oberfläche. Grün: Pavonis.

D.2Die Bedingung des Netto-Nullgewichts

Am Schlot des Pavonis beträgt die Schwerkraft 0.41–0.44 m s$^{-2}$, etwa ein Viertel ihres Werts an der Oberfläche, und die Rotation hebt sie fast auf: Das Nettogewicht beträgt $-0.17$ m s$^{-2}$ bei einem Tag von 7.3 Stunden (leicht nach außen) und null bei 8.3 Stunden. Ein dort freigesetzter Körper braucht keinen Anstoß, um aufzusteigen. Er trägt die seitliche Geschwindigkeit des Schlots selbst, 2.43 km s$^{-1}$ bei 7.3 Stunden und 2.08 km s$^{-1}$ bei 8.3 Stunden, gegenüber einer Keplerschen Bahngeschwindigkeit dort von 2.05–2.08 km s$^{-1}$: Die Rotation allein gibt ihm seine Umlaufbahn.

D.3Warum Pavonis

Pavonis stand hoch auf der Auswölbung, nahe ihrer Spitze, und unter ihm lag das Reservoir, das feuerte: Seine Gipfelgrube ist für ihre Breite die tiefste der vier Tharsis-Calderen, eine einzelne kreisförmige Grube von etwa 5 km Tiefe, das Dach eines Reservoirs, das sich leerte und einstürzte (§D.4). Beide Monde verließen Pavonis, einer nach dem anderen. Solange die Auswölbung stand, lag jeder Schlot auf ihr über der Mitte ihrer Basis, bei etwa 10$^\circ$S; beide Monde begannen daher auf Bahnen, die um etwa 10$^\circ$ geneigt waren, und der Ring rundete die Bahnen und verringerte die Neigung auf 1.09$^\circ$ (Phobos) und etwa 1.8$^\circ$ (Deimos) (§F.1).

D.4Die Geometrie der Magmakammer

Das Modell braucht keine tiefe Magmakammer und keinen langen Förderkanal. Unter dem Gipfel des Pavonis lag ein flaches Reservoir, etwa 5 km tief: Die Gipfelgrube des Pavonis, 47 km breit, ist etwa 5 km tief (Crumpler et al. 1996; NASA/JPL PIA25157), und eine Grube dieser Tiefe ist das Dach eines Reservoirs, das sich leerte und einstürzte.

Bevor die Monde ihn verließen, war der Schlot über dem Reservoir viel schmaler als die heutige Grube — etwa so breit wie der Pfropfen, den er hielt, rund 20–23 km —, und der Pfropfen musste durch ihn hindurchgedrückt werden. Die Grube weitete sich erst auf 47 km, als ihr Dach nach den Schüssen einstürzte. In diesem schmalen Schlot wurde Phobos gefurcht, und seine Blöcke rollten (§K.1, K.3).

D.5 Mechanik des Auswurfs

Gas, das sich unter dem Pfropfen sammelte, bei einem Überdruck der Art, wie er in Vulkanen auf der Erde gemessen wird, drückte ihn entlang seiner eigenen Länge hinaus. Zum Vergleich: Vor den vulkanianischen Explosionen der Soufrière Hills, Montserrat, im Jahr 1997 brauchte die dichte Kappe des Schlotkanals etwa 30 MPa, um zu brechen, und das Material darunter zerbrach nach einer Druckentlastung von nur wenigen MPa (Burgisser et al. 2010). Vulkanianische Explosionen schleudern Blöcke mit bis zu etwa 400 m s$^{-1}$ (Fagents & Wilson 1993; Clarke et al. 2015). Die Geschwindigkeit, die das Gas einem entlang seiner eigenen Länge gedrückten Pfropfen gibt, ist $v\approx\sqrt{2\Delta p/\rho}$:

Tabelle 9. Was der Vulkan zur Umlaufbahn des Phobos beiträgt (Dichte des Pfropfens 1,600 kg m$^{-3}$). Die Farbe verblasst, wenn der Anstoß die Bahn streckt.

Der Druck hebt nichts an; seine einzige Rolle ist es, den Schlot zu öffnen. Die Umlaufbahn kommt von der Rotation, und je sanfter die Freisetzung, desto runder die Bahn. Die Darstellung hat daher einen weiten Spielraum, unterhalb gewöhnlicher vulkanischer Drücke.

E Die Abfolge der Auswürfe

Material trat ständig durch die Auswölbung aus. Ihre Vulkane brachen immer wieder aus, und das meiste, was sie schleuderten, fiel auf den Mars zurück oder erreichte den Innenrand des Rings und kehrte zurück (§H.5). Als Auswürfe sind die Monde keine einzigartigen Ereignisse. Einzigartig an ihnen ist, dass sie in einer Umlaufbahn eingefangen wurden oder die Korotationslinie überquerten und blieben.

E.1Die erste Freisetzung – Deimos

Früh, als der Mars sich noch in 7.3 Stunden drehte, stand der Schlot des Pavonis Mons etwa 1,090 km jenseits der Korotationslinie, die damals 9,080 km vom Massenmittelpunkt entfernt lag.

Der erste Pfropfen, etwas kleiner und leichter als Phobos, wurde freigesetzt und trug die seitliche Geschwindigkeit des sich drehenden Schlots, 2.43 km s$^{-1}$ — mehr, als eine Kreisbahn bei diesem Radius braucht. Mit diesem Geschwindigkeitsüberschuss gelangte er auf eine lange Bahn (Abbildung 8): sein naher Punkt bei 10,170 km, sein ferner Punkt bei 23,990 km, Exzentrizität $e=0.41$, und eine Neigung von etwa 10$^\circ$ gegen den Äquator des jungen Mars. Bei jedem Umlauf auf dieser Bahn kreuzte er den Äquatorring, dessen Material sich auf Kreisen bewegt, mit Hunderten von Metern pro Sekunde: Der Ring hielt ihn, schliff ihn ab und rundete mit der Zeit seine Bahn (§F).

E.2Abbremsung der Rotation

Zwischen den beiden Freisetzungen verlangsamte sich der Mars von 7.3 auf etwa 8.3 Stunden, und die Verlangsamung setzte sich fort, bis sich der Tag bei 24.6 Stunden einpendelte. Die Bremse sind nicht die Monde, deren Masse vernachlässigbar ist, sondern das Material, das durch die Korotationslinie austrat: Wasser, Dampf, Gas und Staub, die die Linie erreichten, trugen den Drehimpuls einer dortigen Umlaufbahn davon. Die Bilanz:

Tabelle 10. Drehimpuls eines homogenen jungen Mars als Funktion der Länge seines Tages, gegenüber dem heutigen ($0.3644MR^2$, 24.62 h). Die Masse ist die Menge an Material, die die Korotationslinie überqueren muss, um den überschüssigen Drehimpuls abzuführen; jedes Kilogramm trägt den Drehimpuls einer Kreisbahn an der Linie, von 9,080 km bis 20,428 km. Die Farbe verblasst mit der Last.

Die Monde spielen in dieser Bilanz keine Rolle: Der Bahndrehimpuls des Phobos beträgt etwa ein Millionstel der Rotation des jungen Mars. Im Fenster zwischen 7.3 und 8.3 Stunden müssen 6–11% der Masse des Mars auf diesem Weg abgehen — etwa die Hälfte dessen, was ein Mars mit fünf Stunden bräuchte, und ein Fünftel bis ein Drittel des Wassers, das ein wasserreicher junger Mars enthielt. Die Kontraktion des Mars, von 5,084 auf 3,390 km, macht die Last größer, nicht kleiner: Hätte der Mars seinen Drehimpuls bei der Kontraktion behalten, hätte sich seine Rotation um den Faktor 2.5 beschleunigt, und die Bremse musste stark genug sein, auch das zu überwinden. Ein junger Mars von heutiger Größe, der sich in 8.5 Stunden dreht, müsste nur 2–3% seiner Masse verlieren.

E.3Die zweite Freisetzung – Phobos

Als sich der Mars weiter verlangsamt hatte, auf etwa 8.3 Stunden, war die Korotationslinie auf 9,870 km hinausgewandert, auf gleiche Höhe mit dem Schlot des Pavonis Mons. Der zweite Pfropfen, Phobos — größer und härter als der erste, $1.02$ mal seine heutige Größe —, wurde dort freigesetzt und trug die seitliche Geschwindigkeit des Schlots von 2.08 km s$^{-1}$, fast genau die Geschwindigkeit einer Kreisbahn in dieser Höhe:

Tabelle 11. Die Bahnen von Körpern, die vom Schlot des Pavonis Mons freigesetzt werden, während sich der Mars verlangsamt, ohne weiteren Anstoß. Das Fenster schließt sich bei 8.3 Stunden. Grün: die nahezu kreisförmige Bahn, in die Phobos gebracht wurde, genau an der Linie.

Phobos gelangte direkt in eine nahezu kreisförmige Bahn knapp außerhalb der Linie, am Innenrand des Rings, und bewegte sich mit ihm, fast mit seiner Geschwindigkeit.

FDie Dynamik des planetaren Rings

F.1Ringbildung und Bahndämpfung

Der Ring wurde vor den Freisetzungen gebildet, direkt vom Mars selbst gespeist: Dampf und feines Material aus jeder Spalte, die die Korotationslinie erreichte — die Höhe, in der das Mitdrehen mit dem Mars bereits eine Umlaufbahn ist —, gelangten in eine Umlaufbahn, kondensierten zu Eis- und Staubkörnern und setzten sich in einer äquatorialen Scheibe von der Linie nach außen ab. Jenseits von etwa 13,000 km sammelte sich das Material zu Klumpen.

Das Material des Rings bewegt sich auf Kreisen, und ein Körper, der lange in ihm lebt, übernimmt seine Bahn von ihm: kreisförmig und äquatorial. Dies ist die Dämpfung, durch die Scheiben aus Gas und Trümmern die Bahnen der Körper in ihnen runden und in die Äquatorebene abflachen. Ein Ring um den Mars ist schon zuvor vorgeschlagen worden, aus anderen Gründen: aus einer Resonanz, die Deimos kippte (Ćuk et al. 2020), und als Stadium in einem Zyklus von Ringen und Monden (Hesselbrock & Minton 2017). Diese Dämpfung ist der Grund, warum die beiden Monde heute auf so nahezu kreisförmigen Bahnen sind — Deimos bei nur $e=0.0003$.

F.2Die geteilte Wechselwirkung

Die sehr verschiedenen Schicksale der beiden Monde rühren von den verschiedenen Bedingungen her, unter denen sie auf den Ring trafen. Drei Faktoren wirken in dieselbe Richtung:

Tabelle 12. Zwei Körper, ein Ring: wie jeder Mond auf ihn reagierte.

Auf der langen Bahn des Deimos fügte der Widerstand des Rings dort Geschwindigkeit hinzu, wo der Körper am langsamsten war, am fernen Ende seiner Bahn, wo er sich langsamer bewegte als der Ring, und hob so allmählich den nahen Punkt an: Die Bahn rundete sich nach außen. Allein mit seinem eigenen Drehimpuls würde sich Deimos nahe 14,300 km runden; der Ring, am fernen Ende schneller als er, trägt ihn weiter hinaus.

F.3 Die Geschwindigkeitsgrenze

Der Ring bewegt sich auf Kreisen mit der Geschwindigkeit einer Umlaufbahn. Er kann einen langsameren Körper beschleunigen, bis die Geschwindigkeiten gleich sind — wie er es bei Deimos tat, am fernen Ende seiner langen Bahn —, aber er kann einem Körper nicht mehr als seine eigene Geschwindigkeit geben. Phobos ging fast mit der Geschwindigkeit einer Umlaufbahn an der Linie ab; es gab keinen Geschwindigkeitsunterschied zwischen ihm und dem Ringmaterial, und der Ring hatte ihm nichts zu geben.

F.4Die Gasleine

An seinem innersten Rand, neben der Linie, besteht der Ring überwiegend aus dünnem Gas. Gas, das teilweise von seinem eigenen Druck getragen wird, bewegt sich etwas langsamer als eine Umlaufbahn, sodass Phobos dort auf einen schwachen Gegenwind traf — denselben Gegenwind, den eine Gasscheibe auf die festen Körper in ihr ausübt, die Grundlage der Theorie des Planetenwachstums (Weidenschilling 1977).

Die Gezeiten schoben Phobos mit einer Beschleunigung von nur etwa $10^{-11}$ m s$^{-2}$ nach außen; um sie auszugleichen, braucht ein Gegenwind von etwa 100 m s$^{-1}$ eine Gasdichte von nur $3$–$8\times10^{-8}$ kg m$^{-3}$, so dünn wie die Erdluft in etwa 115 km Höhe. Es folgte ein Gleichgewicht: Die Gezeiten schoben, das Gas hielt zurück, und Phobos blieb am Innenrand, knapp außerhalb der Linie. Als sich der Mars verlangsamte, wanderte die Linie nach außen; der Innenrand des Rings wanderte mit ihr und nahm Phobos mit.

F.5 Die Auflösung des Rings

Der Dampf, der den Mars verlangsamte, ist der Dampf, der den Innenrand des Rings speiste. Der Ring wurde gespeist, solange der Boden locker war. Der junge Mars — heiß, schnell rotierend und noch nicht sortiert — hatte eine Kruste, die noch nicht verdichtet war, und seine flüchtigen Stoffe entwichen frei durch sie: Alles, was flüchtige Stoffe austreibt, wirkte zugleich, und anfangs war der Ring massereich. Mit der Zeit wurde der Boden dichter. Als die Rotation nachließ und das Innere sich weiter sortierte, wurde der Einschluss stärker; als die Kruste abkühlte und sich verdickte, wurde er vollständig. Die vulkanische Entgasung auf dem Mars folgt demselben Verlauf: am effizientesten vor etwa 4.1 Milliarden Jahren, stark abnehmend während des Hesperiums und später unbedeutend (Grott et al. 2011).

Als der Einschluss vollständig war und der Mars sein Wasser verloren hatte und sich seiner heutigen Rotation näherte, hörte der Dampfstrom auf, und der Ring trocknete aus: Sein Material verteilte sich, fiel als Reif und Staub innerhalb der Linie zurück oder verdampfte. Phobos war damals nahe 19,000 km, und der Tag des Mars betrug etwa 22 Stunden.

Das Austrocknen verlief von außen nach innen: Der Ring wurde nur an seiner inneren Basis, an der Linie, gespeist; seine fernen Teile erhielten Material nur durch Ausbreitung, und jenseits von 13,000 km sammelte sich sein Material zu Klumpen, die sich nicht mehr wie ein Ring verhielten.

F.6Datierung der Auflösung

Die heutige Bahn des Phobos erlaubt es, das Austrocknen rückwärts zu datieren. Von dem Moment an, in dem der Ring und sein Gasband verschwunden waren, fiel Phobos nach innen; rechnet man seinen Fall mit der heute gemessenen Gezeitenreibung rückwärts, erhält man die Zeit, und der Ort, an dem er stand, ergibt den damaligen Tag des Mars:

Tabelle 13. Wann der Ring austrocknete, aus der heutigen Bahn des Phobos (Gezeitenreibung $k_2/Q=1.816\times10^{-3}$, konstant). 19,500 km ist die Obergrenze: Jenseits davon wäre der Ring ausgetrocknet, bevor der Mars existierte. Ein weicherer Mars nach dem Austrocknen würde den Fall schneller und das Austrocknen später machen.

Die wahrscheinlichste Lesart setzt das Austrocknen des Rings auf vor 3.5–3.9 Milliarden Jahren, bei einem Tag von etwa 22 Stunden.

GMechanik der Gezeiten

Jenseits der Korotationslinie schieben die Gezeiten des jungen Mars — heiß, weich und weniger viskos — einen Mond nach außen. Der Aufstieg ist schneller für einen schwereren Mond und für einen größeren Mars:

Tabelle 14. Gezeitenbedingte Aufstiege der Monde auf dem jungen Mars (Radius 5,084 km), nach der Masse des Körpers und der Gezeitenreibung des Mars.

Deimos wurde hinausgetragen, als er noch schwer war, bevor er abgeschliffen wurde, und der Mars noch groß war, und passierte 20,428 km — den endgültigen Ort der Linie —, bevor die Linie dort ankam; der äußere Ring verkürzte den Aufstieg. Phobos, der schwerere, wäre schnell aufgestiegen, doch die Leine am Innenrand des Rings hielt ihn neben der Linie (§F.4), und er bewegte sich nur so schnell nach außen wie die Linie. Als der Ring austrocknete, nahe 19,000 km und bei einem Tag von etwa 22 Stunden, überholte ihn die Linie. Von da an lag Phobos innerhalb der Linie, und die Gezeiten zogen ihn zurück — anfangs langsam, weil er nahe der Linie war, wo die Gezeiten schwach sind. Rechnet man seinen Fall mit der heutigen Gezeitenreibung rückwärts, liegt er vor 3.9–4.5 Milliarden Jahren bei 19,100–19,500 km.

Der Fall war anfangs langsam und am Ende schnell:

Tabelle 15. Der Fall des Phobos vom Austrocknen des Rings bis heute, bei heutiger Gezeitenreibung. In den ersten drei Milliarden Jahren fiel er nur 3,800 km; in den letzten 400 Millionen Jahren mehr als 4,000 km.

Die Leine musste also bis in die späten Stadien der Verlangsamung des Mars halten. Wäre der Ring früh ausgetrocknet, als Phobos noch nahe 9,900 km war, hätte die Linie ihn dort überholt, und bei heutiger Gezeitenreibung wäre er in weniger als hundert Millionen Jahren auf seine heutige Bahn gefallen und bald danach zerbrochen.

HDie Entwässerung nach dem Auswurf

H.1Relaxation und die Tharsis-Aufwölbung

Als die beiden Körper fort und die Schlote offen waren und als die Rotation nachließ, das Innere sich sortierte und der Planet abkühlte, ging die Auswölbung zurück. Sie sank und legte sich langsam nach Westen nieder, so wie sie sich geneigt hatte (§C.4). Ihr Körper ist heute die Tharsis-Aufwölbung.

Die Vulkane, die auf der Auswölbung standen, stehen nun auf dem Boden, darunter Pavonis Mons, mit der einzelnen tiefen Grube, aus der die beiden Monde abgingen. Als die Auswölbung zurückging, floss das flüssige oder viskose Material in ihr von der Spitze zur Basis zurück, entlang ihrer Achse und den Hang hinab nach Osten.

H.2Der Hals

Zwischen der Spitze und der Mitte der Basis, auf der Achse der Auswölbung (innerhalb von 70 km von ihr, 1,750–2,460 km vom östlichen Punkt der Basis), liegt Noctis Labyrinthus: ein Netz von Gräben und Gruben, die einander kreuzen und Blöcke zwischen sich lassen, wie eine zerbrochene Platte (Abbildung 9). Nach Osten vereinigen sich die Gräben zu einem breiten Kanal — dem Kopf von Valles Marineris.

Blöcke entstehen, wenn die Kruste gleichzeitig in mehrere Richtungen auseinandergezogen wird; Dehnung in nur einer Richtung ergibt nur parallele Risse. Die Gruben zeigen, dass Material unter der Oberfläche abging und der Boden darüber einsank. In der anerkannten Lesart ist das Netz eine Gruppe von Gräben am Scheitel der Tharsis-Aufwölbung, mit Einsturz, nachdem darunterliegendes Material abgezogen war.

In dieser Darstellung lag am Hals eine große Masse, im Zentrum des Abstiegs der Auswölbung. Als die Auswölbung zurückging, kamen die Platten ihrer Oberfläche von oben herab. Wo der steile Hang auf den sanften traf, bog sie der Winkelwechsel und zerbrach sie in Blöcke. Der flüssige oder viskose Untergrund unter ihnen breitete sich seitlich aus, wie sich Kontinente ausbreiten, aber in kleinem Maßstab, und trug die zerbrochenen Platten mit sich auseinander; die Gräben sind die Lücken zwischen ihnen. Das Labyrinth ist somit der Kopf der Entwässerung: Wie die Nebenflüsse eines Flusses sammeln sich seine Gräben zu einem Hauptkanal, der nach Osten verläuft.

Die Furchen um den Hals. Nördlich des Labyrinths, zwischen dem Äquator und etwa 3$^\circ$S, und südöstlich davon nahe 16$^\circ$S, ist der Boden von langen, geraden, parallelen Furchen durchschnitten (Pfeile in Abbildung 9). In der anerkannten Lesart sind sie Gräben des Tharsis-Bruchsystems (§C.8). In dieser Darstellung sind sie die Dehnung desselben Abstiegs: Die Oberfläche, die von der Auswölbung herabkam, wurde zum sich ausbreitenden Untergrund hin gezogen, und wo sie nicht in Blöcke zerbrach, öffnete sie sich in parallelen Rissen.

H.3 Der axiale Kanal

Valles Marineris ist der Weg, auf dem das innere Material der Auswölbung nach Osten floss, als die Auswölbung sank, den Hang hinab. Drei Befunde stützen dies.

Er verläuft entlang der Achse. Über etwa 1,700 km, von innerhalb der Basis bis zu ihrem östlichen Punkt, verläuft der Boden des Canyons 100–360 km nördlich der Achse der Auswölbung und nahezu parallel zu ihr. Der Canyon quert die Auswölbung nicht; er folgt ihr. (Der östliche Punkt der Basis wurde selbst in den Canyon gelegt; dass er 1,700 km entlang der Achse weiterläuft, folgt nicht aus dieser Wahl.)

Sein Boden fällt nach Osten ab. Gemessen an MOLA, entwickelt bis Grad 719 (etwa 15 km), und relativ zum aus GMM-3 berechneten Areoid — der Fläche, entlang der ein Fluid fließt:

Tabelle 16. Der Boden von Valles Marineris, der tiefste Punkt auf jeder Länge. Die Farbe vertieft sich, während der Boden nach Osten abfällt; tiefe Böden, die schmaler als die Auflösung sind, werden geglättet.

Ein Gesamtgefälle von etwa 10 km von West nach Ost, in Fließrichtung.

Ihm fehlt Masse. Die Freiluftschwere über dem Canyon beträgt etwa $-500$ mGal (Tabelle 6): ein Kanal, den Material durchlief und verließ.

H.4Das Becken und der Überlauf

Der Boden fällt nicht bis zum östlichen Ausgang ab: Von seinem tiefsten Punkt steigt er vor dem östlichen Ausgang um etwa 0.8 km an. Dies ist ein Becken. Harrison & Chapman (2008) fanden es an den Innenwänden des Canyons: Steilstufen und Terrassen über etwa 1,500 km, alle auf einer Höhe, $-3{,}560$ m, dem Spiegel eines Sees, der das Zentrum des Canyons füllte. Der See lief am östlichen Ende, in Eos Chasma, in das Chaos und die Ausflusskanäle über; die Erosion nahe dem Überlaufpunkt verläuft ost-westlich. Die Innenwände bewahrten den Spiegel des Flusses, und der Ausgang lag im Osten.

Die Becken des Canyons öffnen sich zum Äquator hin. An seiner Nordseite liegen Hebes, Ophir, Candor und Juventae Chasmata als getrennte Senken, und von Juventae verläuft der Kanal Maja Valles nach Norden (Abbildung 10). Am östlichen Ende öffnen sich Eos und Capri Chasmata in das Chaos von Aurorae und Hydraotes, und von dort verlaufen die Ausflusskanäle Simud und Tiu nach Norden zum Äquator und weiter nach Chryse, mit Ares Vallis östlich von ihnen (Abbildung 11).

Baker & Milton (1974) beschrieben in diesen Kanälen stromlinienförmige Hügel und Längsfurchen, wie die der großen Fluten der Channeled Scabland auf der Erde; ein stromlinienförmiger Hügel richtet seinen Schwanz stromabwärts. Bei unserer Auflösung sind die Böden dieser Kanäle nahezu eben ($-4.2$ bis $-3.9$ km); ihre Richtung zeigt sich an ihren Formen, nicht an ihrem Gefälle.

H.5 Die Herkunft des Staubs

Der Ring bestand nicht aus Dampf allein. Neben der enormen Menge an flüchtigen Stoffen, die ihn aufbauten, schleuderten die Vulkane auf der Auswölbung festes Marsmaterial aus — Materie des Mars selbst —, das keine eigene Umlaufbahn erreichte — Schüsse, schwächer als die der beiden Monde, und die Trümmer der Schlote. Es erreichte den inneren Teil des Rings, und das meiste davon kehrte zum Mars zurück. Während es im Ring war, wurde es am Material des Rings und an sich selbst zu kleinen Fragmenten und feinem Staub zerrieben.

Als der Ring austrocknete, wurde sein Wasser durch Sonnenlicht und Sonnenwind zerlegt, und der leichte Wasserstoff entwich in den Weltraum; das schwere Isotop, Deuterium, blieb zurück, und das auf dem Mars verbliebene Wasser wurde damit angereichert. Der feine Staub, den der Ring gehalten hatte, kam auf den Mars herab, überwiegend nahe dem Äquator, zusammen mit Reif.

In dieser Darstellung ist dies die Quelle des Marsstaubs: ein feines Material, über den ganzen Planeten verteilt, von weitgehend gleicher Zusammensetzung, wo immer es gemessen wurde (Berger et al. 2016). Die anerkannte Auffassung sucht seine Quelle am Boden, in vom Wind erodierten Ablagerungen, deren größte die Medusae-Fossae-Formation ist (Ojha et al. 2018). Staub, der seine Zeit im Ring verbrachte, trägt, was der Ring ihm gab: ein Alter von über 4 Milliarden Jahren, die Zusammensetzung des Phobos-Regoliths und Körner, die Helium und Neon aus dem Sonnenwind tragen; er sollte im breiten Äquatorband am häufigsten sein (Vorhersage N.8). Der Verlust des Rings ließ die Oberfläche trocken zurück.

H.6Die verbliebenen flüchtigen Stoffe

Das Wasser im Inneren des Mars musste nicht zurückkehren, als die Auswölbung sank: Das meiste davon trat nie aus. Der Dampf, der den Ring speiste, und das Gas unter dem Schlot, das die Pfropfen hinaussprengte, waren der Teil der flüchtigen Stoffe, der durch Spalten und Schlote einen Weg nach außen fand.

Der Rest blieb unter der Kruste eingeschlossen und befindet sich heute noch dort, in den Poren der mittleren Kruste, wo InSight ihn fand.

Teil I beschrieb die Abfolge mechanischer und hydrodynamischer Ereignisse in der frühen Geschichte des Systems. Teil II legt die geomorphologischen und geophysikalischen Belege dar, die diese Abfolge hinterließ, Ort für Ort. Jeder Abschnitt stellt die Beobachtung dem gegenüber, was das Modell über sie sagt, und nennt die Zahlen.

IDie Gipfelcaldera

I.1 Die Geometrie der Caldera

Pavonis Mons erhebt sich etwa 14 km über das mittlere Niveau des Mars auf einer etwa 375 km breiten Basis. Seine Gipfelcaldera ist eine einzelne kreisförmige Grube von 47 km Durchmesser und fast 5 km Tiefe. Sie ist ein steilwandiger Zylinder, keine flache Schüssel; nordöstlich von ihr liegt eine sekundäre Senke, breiter und flacher, etwa 90 km im Durchmesser (USGS/IAU Gazetteer; NASA/JPL). Das Verhältnis von Tiefe zu Breite, etwa 0.10, ist das Maß dafür, wie sehr der Gipfel ein Fass ist.

Ein Vergleich der Gipfel der Tharsis zeigt, was Pavonis eigen ist:

Tabelle 17. Die Geometrie der vier Calderen der Tharsis. Grün markiert Pavonis: eine einzelne Grube, schmal und tief gegenüber denen der anderen Berge. Die mit „noch zu messen“ markierten Tiefen lassen sich aus der MOLA-Topographie ablesen.

I.2 Die Volumenbilanz

Das Volumen der Pavonis-Caldera, als Zylinder von 47 km Breite und 4.8–5.0 km Tiefe genommen, beträgt 8,300–8,700 km$^3$. Die beiden Monde fassen heute etwa 5,740 km$^3$ (Phobos) und etwa 1,000 km$^3$ (Deimos), zusammen etwa 6,740 km$^3$.

Die Grube liegt daher in der Größenordnung der beiden Pfropfen, die sie verließen. Sie ist keine Gussform der Körper selbst, sondern der Raum, der nach den Schüssen einstürzte, und legt daher ihre Größe nicht fest.

I.3 Der Einsturz der Caldera

Als die Pfropfen fort waren, verlor das flache Reservoir unter dem Schlot, was sein Dach trug. Das Dach kann nicht stehen und fällt senkrecht nach innen.

Eine steile, tiefe, kreisförmige Grube ist das, was ein Reservoir hinterlässt, wenn sein Dach senkrecht einstürzt; ihre Tiefe, etwa 5 km, ist die Tiefe des Reservoirs (§D.4). Das Modell erwartet, dass eine Messung der Schwere unter der Caldera die fehlende Masse eines Reservoirs zeigt, das feuerte (Vorhersage N.5).

JDie Aufzeichnung des Deimos

J.1 Der gedämpfte Satellit

Deimos ist der glatteste kleine Körper, der bisher nahe dem Mars gesehen wurde. Seine Senken sind flach und abgetragen, und er hat keine Furchen oder langen Schleifspuren. Gemessen an den Formmodellen von Ernst et al. (2023), auf dieselbe Weise für beide Monde, haben die Senken mit mehr als 0.7 km Breite auf Deimos eine mittlere Tiefe (Median) von 1.9% ihrer Breite, gegenüber 5.5% auf Phobos; 84% von ihnen sind flacher als 6% ihrer Breite, gegenüber 56% auf Phobos, und nur 3% sind tiefer als 12%, gegenüber 13%.

Seine Bahn ist fast ein perfekter Kreis (Exzentrizität 0.0003), nahe der Äquatorebene, und sie liegt jenseits des Korotationsradius — des Abstands, in dem ein Körper, der sich mit dem Planeten dreht, sich bereits mit der Geschwindigkeit einer freien Umlaufbahn bewegt. Eine kreisförmige, äquatoriale Bahn zusammen mit einer glatten, abgetragenen Oberfläche sind die Merkmale eines Körpers, der lange Zeit in einem Ring verbrachte: Der Ring brachte ihn auf eine kreisförmige, äquatoriale Bahn, und seine Teilchen trugen ihn ab.

Deimos umläuft den Mars langsamer, als dieser sich dreht, und hat dies während der gesamten Geschichte des Systems getan: bei 14,300 km, wo seine Bahn rund wurde, lief er in 14.4 Stunden um, gegenüber einem Marstag von 7.3–8.3, etwa 0.5–0.6-mal pro Tag; heute, bei 23,463 km, läuft er in 30.3 Stunden um, gegenüber 24.6, 0.8-mal pro Tag. Er stand immer jenseits der Linie. Die Linie wanderte hinter ihm nach außen und holte ihn nie ein — das Gegenteil von Phobos (§K.8).

J.2Das Profil des Masseabtrags

Abschleifen und Widerstand im Ring tragen Material ab. Deimos verließ den Schlot des Pavonis deutlich größer, als er heute ist, aber nicht größer als Phobos, und er ging glatt ab: Als erster Pfropfen im Schlot rieb er nicht an dessen Wänden. Wie viel er während seines Aufenthalts im Ring verlor, hängt von seinem Durchmesser beim Abgang ab:

Tabelle 18. Deimos beim Abgang und im Ring: größer als heute, nicht größer als Phobos. Die Farbe vertieft sich mit dem abgeschliffenen Anteil, während der Durchmesser beim Abgang wächst.

J.3Die an flüchtigen Stoffen reiche Zusammensetzung

Deimos ist viel leichter als Phobos: 1,471 kg m$^{-3}$, gegenüber 1,853–1,887 kg m$^{-3}$. Der Unterschied stützt die Abfolge der Ereignisse im Modell direkt. Der erste Pfropfen (Deimos) kam aus dem oberen Teil des Schlots, aus dem jüngsten Teil der Kruste, dem reichsten an Wasser, Dampf und eingeschlossenem Gas. Der zweite Pfropfen (Phobos) bildete sich später und tiefer im geleerten Schlot, aus Material, das bereits getrocknet und verdichtet war.

Die Reihenfolge der Dichten ist die Reihenfolge der Schüsse, und sie ist auch die Reihenfolge, in der der Mars austrocknete. Zwischen den beiden Freisetzungen verlor der Mars große Mengen Wasser und Gas durch die Korotationslinie — dieser Verlust verlangsamte seine Rotation von 7.3 auf 8.3 Stunden (§E.2). Deimos bestand aus einem Planeten, der noch voller Wasser war; Phobos, eine Stunde Rotation später, aus einem teilweise getrockneten, und daher ist er der dichtere der beiden.

Die Monde sind Proben der Kruste des jungen Mars: Ein Drittel bis die Hälfte von jedem ist leerer Raum, ein erstarrter Schaum, und ihre Dichten, 1,471 und etwa 1,860 kg m$^{-3}$, sind die der oberen Schichten eines Planeten, dessen mittlere Dichte nur etwa 1,170 kg m$^{-3}$ betrug — leicht, porös und reich an Wasser.

KDie Aufzeichnung des Phobos

K.1Der Beleg der Furchen

Die Oberfläche des Phobos wird von ausgedehnten, zusammenhängenden Familien langer, paralleler Furchen durchzogen (Thomas et al. 1979; Murray & Heggie 2014). Im Modell dieser Arbeit sind sie die Spuren der Wände des Schlots. Bevor die Monde ihn verließen, war der Schlot des Pavonis viel schmaler als seine heutige Grube, etwa so breit wie der Pfropfen, den er hielt, und der Pfropfen wurde unter hohem Druck durch ihn hindurchgedrückt (§D.4).

Der Dampf und die Fragmente, die den Schlot öffneten, ließen seine Wand nicht glatt: Sie hinterließen sie gerippt, mit langen, dünnen, harten Lamellen, die aus der Wand hervorstanden, wie die Lamellen unter dem Hut eines Pilzes. Ein harter, trockener Pfropfen, der durch einen solchen gerippten Schlot gedrückt und durch die Corioliskraft gegen eine Seite gepresst wird (ein Körper, der durch einen rotierenden Planeten aufsteigt, bleibt hinter der Geschwindigkeit der Wände zurück und wird nach Westen abgelenkt), wird von den Lamellen auf seiner ganzen Länge eingeschnitten, parallel zu seiner Bewegung.

Ein heutiges Analogon sind die festen Dome, die 2004–2006 aus dem Krater des Mount St Helens herausgepresst wurden und den Schlotkanal entlang ihrer Bewegungsrichtung zerfurcht hinterließen (Cashman et al. 2008). Die Furchen des Phobos blieben erhalten, weil er nur kurz im dünnen Rand eines schwindenden Rings blieb und etwa 1% seiner selbst verlor, eine Schicht von rund 40 m.

K.2Die Relaxation nach dem Auswurf

Phobos verließ den Schlot lang und weich, warm und entlang seiner Bewegung ausgezogen, und seine Furchen wurden gerade entlang dieser Achse eingeschnitten. Im Weltraum, während er abkühlte, setzte er sich allmählich zu einer runderen Form, und die Furchen, auf seiner Oberfläche getragen, bogen sich mit ihm.

Heute bilden die Furchen einige große, zusammenhängende Familien über den ganzen Körper, eher gekrümmt als gerade (Abbildung 16). Im Modell sind es Furchen, die beim Einschneiden gerade waren, auf einem Körper, der seine Form danach änderte; die Rückführung der heutigen Form auf die gestreckte sollte sie begradigen (Vorhersage N.2).

K.3Die Wälzlager-Gruben

Die Grubenketten, die neben den Furchen und parallel zu ihnen verlaufen, sind eine zweite Aufzeichnung desselben Durchgangs durch den Schlot, von einem anderen Werkzeug gemacht. Blöcke, die im schmalen Spalt zwischen Pfropfen und Wand gefangen waren, prallten nicht ab: Sie wurden gegen die Wand gehalten und in die weiche Oberfläche des Pfropfens gedrückt.

Während der Pfropfen vorbeizog, rollten sie an ihm entlang wie die Kugeln eines Lagers, und jede Erhebung auf einem Block drückte bei jeder Umdrehung eine Grube ein. Dieser Mechanismus erklärt die Eigenschaften der Ketten:

• Eine Kette ist gerade und parallel zur Bewegung.

• Ihre Gruben sind gleichmäßig verteilt, mit einem Abstand, der durch den Umfang des Blocks und die Zahl seiner Erhebungen bestimmt ist.

• Sie verläuft zum hinteren Ende des Körpers, das die gefangenen Blöcke zuletzt passierte.

• Furchen und Ketten entstanden zur selben Zeit und in derselben Richtung, sodass die Ketten immer neben den Furchen verlaufen und sie nie kreuzen.

Grubenketten und Einschlagskrater. Die Ketten sind keine Ketten sekundärer Einschläge. Ein Einschlagskrater, der auf eine Furche trifft, schneidet sie und löscht den Teil aus, auf den er fällt; solche Krater gibt es auf Phobos, den Furchen überlagert (Abbildung 17, Mitte). Die Ketten tun das Gegenteil: Sie halten sich an die Richtung der Furchen und schneiden sie nie. Neben ihnen trägt Phobos echte Einschlagskrater aus drei Generationen: alte, flache, gerundete Mulden aus der Zeit des Rings; kleine, scharfe Krater, verursacht durch Material, das sich im Ring fast im Gleichschritt mit Phobos bewegte; und scharfe, junge Krater, entstanden, nachdem der Ring verschwunden war (§L).

K.4Der vorauslaufende Scheitel

Stickney, 9 km im Durchmesser (IAU-Zentrum 1$^\circ$S, 49$^\circ$W), liegt am stumpfen Ende des Phobos. Auf dem Formmodell von Ernst et al. (2023) liegt sein Zentrum 79% des Weges von der spitzen zur stumpfen Spitze, und sein Rand reicht bis auf 0.4 km an die stumpfe Spitze heran, an der Ecke zur vorauslaufenden Seite (Abbildung 19).

Im Modell führte das stumpfe Ende des Pfropfens den Aufstieg durch den Schlot an. An der Mündung des Schlots traf das vorauslaufende Ende auf das Material in seinem Weg und schob es hinaus, und die Mulde, die diese Begegnung hinterließ, ist Stickney. Stickney bildete sich daher nach den Furchen, deren Reste auf seinem Boden zu sehen sind (§K.5).

Eine zweite Lesart. Eine zweite Lesart bleibt offen: Stickney als Spur eines festen Körpers, der sich bereits im Ring bewegte, bevor Phobos abging, und auf einen noch warmen Phobos traf. Ein Einschlagkörper von 1.5–2 km bei einer Relativgeschwindigkeit von etwa 1 km s$^{-1}$ genügt; ein solcher Einschlag hätte Phobos um etwa 1 m s$^{-1}$ verlangsamt. Beide Lesarten setzen die Entstehung von Stickney auf einen warmen, weichen Phobos, und beide machen ihn jünger als die Furchen.

K.5Die Verformung im Krater

Die Furchen auf dem Boden von Stickney wurden auf dem Pfropfen eingeschnitten, bevor sich die Mulde bildete, und wurden bei der Begegnung eingedrückt. Auf dem 36-m-Formmodell von Ernst et al. (2023) verglichen wir den Boden von Stickney, innerhalb seines halben Radius und ohne den späteren inneren Krater Limtoc, mit einem Ring um ihn, von 1.2 bis 2 Radien (Abbildung 18). Derselbe Filter wurde auf beide angewandt: Er hebt lange Rinnen von 50–350 m Breite in jeder Richtung hervor und entfernt die Krümmung der Schüssel. Um zu beurteilen, ob der Unterschied ungewöhnlich ist, wurde derselbe Vergleich an 80 zufälligen Orten auf Phobos wiederholt.

Die Messungen ergaben folgende Werte:

Tabelle 19. Furchen auf dem Boden von Stickney und um ihn, mit demselben Filter gemessen. Die Farbe vertieft sich damit, wie ungewöhnlich Stickney unter 80 zufälligen Orten auf Phobos ist.

Im Inneren behalten die Furchen den größten Teil ihrer Tiefe, sind dafür aber breiter, und die scharfen sind fast verschwunden; in der Schärfe liegt der Boden unter 89% der zufälligen Orte. Dies ist die Form einer flach gedrückten Furche, nicht einer neu eingeschnittenen oder überdeckten. Kein lockeres Material floss ein, um den Boden zu füllen: Die Furchen auf ihm sind eingedrückt, nicht verschüttet.

Das Formmodell glättet bei dieser Auflösung Furchen auf wenige Meter Relief, gegenüber Dutzenden von Metern in Bildern, sodass der Kontrast, den es ergibt, eine Untergrenze ist; Daten höherer Auflösung sollten ihn deutlicher zeigen (Vorhersage N.2).

K.6 Massenasymmetrie und Versetzung des Massenmittelpunkts

Der Massenmittelpunkt des Phobos liegt nicht in seinem geometrischen Zentrum: Er ist zu seinem stumpfen Ende hin versetzt. Diese Verteilung wurde im Reservoir festgelegt, durch die schnelle Rotation des jungen Mars, bevor der Pfropfen es verließ. An der Spitze der stehenden Auswölbung überwog die Rotation die Schwerkraft: Der Nettozug auf den Pfropfen wies nach außen, bis zu 0.17 m s$^{-2}$ (Tabelle 1, §D.2). Unter diesem umgekehrten Zug sammelte sich das dichtere Material am äußeren Ende des Pfropfens, und der Pfropfen ging mit diesem Ende voran ab. Von unten drückendes Gas durchtränkte den unteren Teil des Pfropfens und schäumte ihn an der Mündung des Schlots auf, während die Front gegen das Material in ihrem Weg verdichtet wurde: eine dichte Front und ein leichtes, aufgeschäumtes Heck.

Als Phobos den Schlot verließ, führte sein schweres Ende, vom Mars abgewandt (Abbildung 19). Heute ist es dem Mars zugewandt. Die Rotation richtete das schwere Ende nach außen; die Schwerkraft des Mars drehte es dann zum Planeten hin, um 180$^\circ$. Die Gezeiten halten die lange Achse des Phobos auf den Mars gerichtet, unterscheiden aber für sich allein nicht ein Ende vom anderen; wie die Drehung vollendet wurde, wird als Voraussetzung des Modells aufgeführt (§O). Die Vorhersage gilt in beiden Fällen: Der Massenmittelpunkt des Phobos ist zum Mars hin, zu seinem stumpfen Ende, um 300–500 m versetzt (Vorhersage N.6).

Wir haben untersucht, ob der Schub des Rings, der Phobos die ganze Zeit an der Korotationslinie hielt (§F.4), seinen Massenmittelpunkt hätte drehen können. Der Schub wirkt auf den Körper als Ganzes, und der um 300–500 m versetzte Massenmittelpunkt gibt ihm einen Hebel; die Gezeiten, die die lange Achse auf den Mars gerichtet halten, sind um einen Faktor von zwanzig Millionen bis hundert Millionen stärker (zwischen 19,000 und 9,900 km). Der Schub könnte das schwere Ende um weniger als ein Millionstel Grad drehen. Die Drehung des Massenmittelpunkts durch den Ring wird daher vernachlässigt.

K.7Die Rekonstruktion der Paläobahn

Phobos umläuft den Mars heute in 7.65 Stunden — 3.2-mal an jedem Marstag — mit 2.14 km s$^{-1}$. Seine Bahn ist nahezu kreisförmig (Exzentrizität 0.015) und liegt innerhalb von etwa einem Grad der Äquatorebene. Innerhalb der Korotationslinie läuft jeder Körper schneller um, als der Planet sich dreht; die Gezeiten, die er hervorruft, bleiben hinter ihm zurück und halten ihn zurück, und er spiraliert nach unten. Das tut Phobos, und das hat er getan, seit die wandernde Linie ihn überholte, bei etwa 19,000 km (§F.5, G).

Die folgende Rückwärtsintegration hängt nicht davon ab, wie Phobos diese Höhe erreichte; sie legt nur fest, wo er stand, als sein Fall begann:

Tabelle 20. Phobos rückwärts gerechnet mit der heute für den Mars gemessenen Gezeitenreibung ($k_2/Q=1.816\times10^{-3}$). In jedem Fall liegt der Ausgangspunkt des Falls innerhalb weniger Prozent der Korotationslinie eines verlangsamten Mars, und er ist seitdem gefallen.

K.8Die 3.2-Kommensurabilität

Als sein Fall begann, waren Phobos und Mars nahezu im Gleichschritt: Bei etwa 19,100 km lief Phobos einmal in 22.3 Stunden um, und der Mars drehte sich einmal in etwa 22 Stunden — nahe einem Umlauf pro Marstag. Das heute beobachtete Verhältnis von 3.2 entstand danach, durch zwei Änderungen, die zusammen in dieselbe Richtung wirkten:

Phobos fiel, und das Fallen machte ihn schneller. Die Geschwindigkeit eines Mondes wird durch seinen Abstand vom Zentrum des Planeten bestimmt: je näher, desto schneller. Die Gezeiten halten Phobos zurück und entziehen ihm Energie, und er sinkt; während er sinkt, wird er schneller, von etwa 1.50 km s$^{-1}$ bei 19,100 km auf 2.14 km s$^{-1}$ bei 9,375 km. Seine Umlaufzeit verkürzte sich von 22.3 auf 7.65 Stunden — ein Faktor von 2.9.

Der Mars verlangsamte sich. Der Planet verlor weiter Rotation mit dem Wasser, Gas und Dampf, die ihn durch die Korotationslinie verließen, darunter der Ring: Ein Ring außerhalb der Linie trägt die Rotation, die er hält, davon, und als er verschwunden war, kehrte diese Rotation nicht zurück. Der Marstag verlängerte sich von etwa 22 auf 24.6 Stunden — ein Faktor von 1.1.

Die beiden Änderungen zusammen ergeben das heutige Verhältnis:

Tabelle 21. Von einem Umlauf pro Tag zu 3.2. Phobos begann nahezu im Gleichschritt mit dem Mars; sein Fall und die Verlangsamung des Mars erzeugten zusammen das heute beobachtete Verhältnis. Die Farbe zeigt den wachsenden Unterschied zwischen der Geschwindigkeit des Mondes und der Rotation des Planeten.

LDie Signaturen des Rings

• Zwei äquatoriale Bahnen. Beide Monde umlaufen den Mars innerhalb von zwei Grad der Äquatorebene und auf nahezu kreisförmigen Bahnen. Dies ist ein direkter dynamischer Beleg für einen alten Ring: Ein Ring in der Äquatorebene zieht jeden Körper, der ihn kreuzt, in diese Ebene und nimmt seine überschüssige Bewegung auf, bis seine Bahn rund ist.

• Eine Oberfläche, die Zeit und Ort im Ring widerspiegelt. Die Oberflächen der beiden Monde spiegeln wider, wo sie im Ring waren und wie lange. Deimos blieb lange im Herzen des Rings: Er ist glatt und gerundet und auf dem vollkommeneren Kreis (Exzentrizität 0.0003). Phobos traf nur auf den dünnen Innenrand eines schwindenden Rings: Er wurde nicht geglättet, behielt die gefurchte, raue Oberfläche, die er im Schlot erhielt, und blieb mit einer kleinen Exzentrizität (0.015) zurück.

• Die Neigung des Deimos. Der Ring hinterließ Deimos auf einem Kreis in der Äquatorebene; seine heutige Neigung von etwa 1.8$^\circ$ ist nicht ursprünglich: Sie kam später hinzu, beim Durchgang durch eine Resonanz mit einem massereichen inneren Mond. In der anerkannten Literatur wurde diese Neigung unabhängig als Spur eines vergangenen Rings um den Mars gelesen (Ćuk et al. 2020). Unabhängige Arbeiten setzen also bereits einen Ring um den jungen Mars voraus.

• Abgetragene Mulden. Die Senken des Deimos sind dreimal flacher als die des Phobos (§J.1), und beide Monde tragen eine alte Generation abgetragener, gerundeter Mulden unter einer jungen Generation scharfer Krater. Das Modell erklärt dies durch den Zustand der Monde, als sie getroffen wurden: Ein Mond, der getroffen wird, solange er noch warm und weich ist, wird nicht zu einer scharfrandigen Schüssel ausgehoben, sondern faltet sich nach innen, und ein Kontakt mit geringer Geschwindigkeit mit Körpern, die sich im Ring fast im Gleichschritt mit ihm bewegen, hinterlässt breite, flache Mulden. Nur ein Mond, der durch einen Ring ging, trägt sie. Sie entstanden früh, bei 10,000–24,000 km, also enthielt der nahe Ring feste Körper — Gestein und Eis, von den Vulkanen ausgeworfen, die weit innerhalb der 13,000-km-Grenze für lockeres Eis bestehen (ein fester Eisblock bis etwa 7,700 km, Gestein bis etwa 5,300 km). Das Abschleifen im klumpigen äußeren Ring kam später, und die scharfen Krater zuletzt, auf Körpern, die abgekühlt und erhärtet waren.

• Der Mond ging nie durch einen Ring. Um die junge Erde konnte sich kein dauerhafter Ring bilden: Die birnenförmige Figur, die den Mond aufbaute, fegte den Äquatorgürtel leer, in dem er sich gebildet hätte, und sammelte sein Material in den entstehenden Mond. Beim Mars bestimmt die Zeit, die ein Körper im Ring verbrachte, wie viel seiner ersten Oberfläche er verlor: Deimos, lange im Herzen des Rings, ist glatt, gerundet und verkleinert; Phobos, kurz an seinem Rand, ist gefurcht und behielt seine Masse; der Mond bewahrt eine gesättigte Kraterüberlieferung und seine ganze Masse.

• Alter. Kraterzählungen setzen die Oberfläche des Phobos in einer Chronologie für die Marsumlaufbahn auf etwa 4.3 Milliarden Jahre, oder in einer Chronologie für den Asteroidengürtel auf 3.5 (Schmedemann et al. 2014); die Oberflächen beider Monde sind nahe der Sättigung und von ähnlicher Kraterdichte. Das Modell erwartet, dass ein direkter Test des Materials zeigt, dass Deimos der ältere der beiden ist.

M Die hydrologische Aufzeichnung

• Wasser, das ging. Schwerer Wasserstoff in der heutigen Atmosphäre, sechs- bis siebenfach angereichert gegenüber den Ozeanen der Erde, und eine frühe globale Wasserschicht von mindestens 137 m (Villanueva et al. 2015): die Aufzeichnung des Äquatorrings und des Dampfs, der die Korotationslinie überquerte und in den Weltraum ging.

• Wasser, das blieb. Eine wassergesättigte mittlere Kruste in 11.5 bis 20 km Tiefe unter InSight, entsprechend einer globalen Schicht von 1–2 km Tiefe (Wright, Manga & Panning 2024), passt zum Modell: Sie ist das Wasser, das keinen Weg zu den Schloten oder Brüchen fand und unter der Kruste eingeschlossen blieb. Die Monde, weich, als sie im Ring getroffen wurden (§L), zeigen, dass der Untergrund unter der Oberfläche des jungen Mars weich und mit Wasser durchtränkt war; die heutige mittlere Kruste ist das, was davon übrig ist, gefroren und stabil.

• Eine abgedichtete Kruste. Dieselbe undurchlässige Kruste, die das Gas unter Druck hielt, bis sich die Pfropfen bewegten und die Monde abgingen, ist die Kruste, die heute das Wasser im Inneren des Mars hält.

Eine wissenschaftliche Hypothese muss quantitative Vorhersagen geben, die widerlegt werden können. Dieser Teil sammelt die Vorhersagen, die aus dem LEF-Modell folgen. Jede Vorhersage nennt, was erwartet wird, ihren Wert, wo einer angegeben werden kann, das Instrument oder die Daten, die sie messen werden, und wann, sowie was die anerkannte Erklärung am selben Ort erwartet — sodass jede Messung die beiden trennt. Die Tests werden mit den Daten der kommenden Missionen möglich, allen voran der Mission Martian Moons eXploration (MMX) der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), die auf Phobos landen, an Deimos vorbeifliegen und Proben zur Erde zurückbringen wird.

N Die Vorhersagematrix

Tabelle 22. Vorhersagen, Instrumente und Termine der Tests, gegenüber der anerkannten Erklärung. MMX startet im Oktober 2026, landet 2027 auf Phobos und bringt seine Proben 2031 zurück, mit mehreren Vorbeiflügen an Deimos (JAXA; Kuramoto et al. 2022). Die vollständige Liste der vorgeschlagenen Messungen, Mission für Mission, steht in Anhang B.

O Systemvoraussetzungen und Randbedingungen

Die Voraussetzungen und Bedingungen, auf denen das Modell beruht, an einem Ort für die ganze Arbeit gesammelt:

1. Das Prinzip der Auswölbung: Jeder Planet mit einem Mond hob früh in seiner Geschichte an seinem Äquator eine Struktur empor, von der aus Material eine Umlaufbahn erreichte — auf dem Mars eine sich verjüngende Auswölbung, auf der Erde eine birnenförmige Figur. Auf dem Mars wird die Tharsis-Aufwölbung als die liegende Auswölbung gelesen, von ihrer Basis in Valles Marineris bis zu ihrer Spitze neben Pavonis (§C).

2. Ein schneller, ausgedehnter junger Mars: das 1.5-fache des heutigen Radius, heiß und homogen (noch nicht in Schichten sortiert), mit einer Rotation von 7.3 Stunden bei der ersten Freisetzung (Deimos) und 8.3 Stunden bei der zweiten (Phobos) (§B, E).

3. Eine sich verjüngende Auswölbung, gewachsen am Äquator eines schnell rotierenden Mars, gespeist und getragen von Druck aus dem Inneren: Der Kern musste sich nicht bewegen; sie stand, bis die Monde fort waren, hoch genug, um den Schlot des Pavonis 4,450 km über den jungen Äquator zu bringen (§C.6, D; die heute gemessene Länge, 2,996 km, ist die Hypotenuse).

4. Ein gewöhnlicher Vulkan bei Pavonis: ein flaches Reservoir in etwa 5 km Tiefe, ein Schlot etwa so breit wie der Pfropfen, ein Überdruck von 10–50 MPa oder weniger; keine tiefe Kammer, kein langer Kanal (§D.4–D.5).

5. Der Verlust von etwa 87% der Rotation durch die Korotationslinie, getragen von Wasser und Gas: 6–11% der Masse des Mars, von einem jungen Mars, der zu mehr als 30% aus Wasser bestand, das meiste davon in der ersten Milliarde Jahre (§E.2).

6. Ein Ring von der Linie nach außen, vor den Freisetzungen aus Dampf und feinem Material gebildet, rund und in der Äquatorebene, der beide Bahnen rundete und ihre Neigung von etwa 10$^\circ$ einebnete (§F.1).

7. Die Leine: der gasförmige Innenrand des Rings, mit einer Dichte von einigen $10^{-8}$ kg m$^{-3}$ oder mehr, bestehend, bis sich der Mars auf einen Tag von etwa 22 Stunden verlangsamt hatte; sein Gegenwind glich den Schub der Gezeiten auf Phobos aus und hielt ihn an der zurückweichenden Linie, bis er nahe 19,000 km stand (§F.4–F.6).

8. Ein weicher junger Mars: der 8- bis 20-mal mehr Gezeitenenergie dissipierte als heute, während Deimos aufstieg, und ihn über 20,428 km hinaustrug, bevor die Linie dort ankam (§G).

9. Die Drehung des Phobos: Sein schweres Ende führte, vom Mars abgewandt, als er den Schlot verließ, und ist heute dem Mars zugewandt; was ihn um 180$^\circ$ drehte, bleibt einer gezielten Studie überlassen (§K.6).

10. Die Farbe: Die dunklen, primitiv wirkenden Spektren beider Monde, die ihnen das Aussehen von Asteroiden geben, sind kein Zeichen fremder Herkunft; sie müssen aus Marsmaterial entstehen, das durch Wasser und Dampf und durch lange Exposition im Weltraum verändert wurde.

11. Sensitivität: Eine gezielte Studie kann Näherungszahlen ergeben, die etwas von denen dieser Arbeit abweichen; die Abfolge hängt nicht von ihren genauen Werten ab.

Jede Zahl dieser Arbeit wird durch das Skript mars2_numbers.py (Python 3, nur Standardbibliothek) berechnet und ausgegeben, das bei den Dateien dieser Arbeit aufbewahrt wird.

Eingangswerte. $GM=42{,}828$ km$^3$ s$^{-2}$; heutiger Radius 3,389.5 km; Tag 24.6229 h; heutiger Trägheitskoeffizient 0.3644. Der junge Mars: Radius $1.5\times$ des heutigen, homogen ($k=0.4$), seine Figur bei jeder Rotationsgeschwindigkeit ein Maclaurin-Sphäroid (Chandrasekhar 1969).

Die Geometrie der Auswölbung. Die Auswölbung, von ihrer Basis bei 294.70$^\circ$E, 12.46$^\circ$S bis zu ihrer Spitze bei 243.86$^\circ$E, 5.40$^\circ$S, wird am MOLA-Formmodell MarsTopo719, entwickelt bis Grad 180, abgelesen (Smith et al. 2001; Wieczorek 2015). Jeder Kandidatenvulkan steht auf der stehenden Auswölbung in einer Höhe $\sqrt{s^2-b^2}$ über dem Äquator, wobei $s$ sein Abstand vom östlichen Punkt der Basis und $b$ die halbe Breite der Basis ist (heute 1,340 km, an MOLA quer zur Achse der Auswölbung abgelesen, Nordrand bei 0 km). Auf dem jungen Mars skalieren Ost-West-Längen mit dem Äquatorradius $a$ und Nord-Süd-Längen mit $c^2/a$ des Maclaurin-Sphäroids beim betreffenden Tag.

Freisetzung, Gezeiten und Gegenwind. Ein Körper wird an einem Schlot mit der seitlichen Geschwindigkeit des Schlots freigesetzt und, wo angegeben, mit einem Anstoß nach oben von $\sqrt{2\Delta p/\rho}$ mit $\rho=1{,}600$ kg m$^{-3}$; Phobos bei der Freisetzung $1.13\times10^{16}$ kg, Deimos $6.8\times10^{15}$ kg. Die Gezeitenreibung beträgt heute $k_2/Q=1.816\times10^{-3}$ und auf dem jungen Mars das 8- bis 20-fache (§G), mit $da/dt=3(k_2/Q)(m/M)(R/a)^5na$. Der Gegenwind am Rand des Rings gleicht die Gezeiten auf Phobos aus, $F=\tfrac12\rho_{\mathrm g}Av^2$ mit $v\approx100$ m s$^{-1}$, wobei $\rho_{\mathrm g}$ die Gasdichte und $A$ der Querschnitt des Mondes ist. Die durch die Linie abgeführte Rotation wird mit dem Drehimpuls einer Kreisbahn an der zurückweichenden Linie getragen, von 9,080 bis 20,428 km.

Die Topographie und die Formmodelle von Phobos und Deimos wurden mit gesonderten Skripten analysiert, die beim Code aufbewahrt werden.

Die Vorhersagen dieser Arbeit lassen sich mit Messungen prüfen, für die laufende und geplante Missionen ausgelegt sind. Wir führen sie nach Missionen auf, damit jedes Team sehen kann, was die Darstellung von seinen Daten verlangt. Jede Zeile nennt, was zu messen ist, was die Darstellung erwartet, das Ergebnis, das sie widerlegen würde, und was die anerkannte Erklärung erwartet.

Tabelle B1. Vorgeschlagene Messungen und Widerlegungstests, Mission für Mission.

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Erklärungen

Autor: Zohar Duran, unabhängiger Forscher, Ramla, Israel. ORCID 0009-0005-3194-9387.

Finanzierung: Diese Forschung erhielt keine externe Finanzierung.

Interessenkonflikte: Der Autor erklärt, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Datenverfügbarkeit: Das Skript, das jede Zahl der Arbeit reproduziert, und seine Ausgabe werden als ergänzendes Material bereitgestellt. Die verwendeten öffentlichen Daten sind im Text zitiert.

Verwendung von KI-Werkzeugen: Der Autor nutzte KI-Assistenten (Claude, Anthropic; ChatGPT, OpenAI; den KI-Suchassistenten von Google), um das Rechenskript zu schreiben und auszuführen, die Formmodelle zu analysieren, Abbildungen und Tabellen vorzubereiten und für die sprachliche Bearbeitung. Die Darstellung und ihre Schlussfolgerungen sind die des Autors. Der Autor hat den Inhalt geprüft und übernimmt die volle Verantwortung dafür.