Марс имеет большое жидкое ядро — раскрыта внутренняя структура Красной планеты

Используя информацию, полученную от около десятка землетрясений, обнаруженных на Марсе сейсмометром очень широкого диапазона SEIS, международная группа миссии НАСА InSight раскрыла внутреннюю структуру Марса.

Об этом рассказывают в Институте физики Глоб де Пари (IPGP).

Три статьи, опубликованные 23 июля 2021 года в журнале Science, с участием многочисленных соавторов из французских учреждений и лабораторий, включая французский Центр научных исследований (CNRS), IPGP и Парижский университет, и при поддержке, в частности, Национального центра космических исследований Франции (CNES) и французского Национального исследовательского агентства (ANR) впервые дали оценку размеров ядра планеты, толщины ее коры и структуры мантии на основе анализа сейсмических волн, которые были отражены и изменены интерфейсами в ее недрах. Таким образом, это первое в истории сейсмическое исследование внутренней структуры планеты земной группы, отличной от Земли, и является важным шагом к пониманию формирования и тепловой эволюции Марса.

До миссии НАСА InSight внутренняя структура Марса была еще плохо изучена. Модели основывались только на данных, собранных орбитальными спутниками, и на анализе марсианских метеоритов, упавших на Землю. На основании только гравитационных и топографических данных толщина коры оценивалась от 30 до 100 км. Значение момента инерции и плотности планеты предусматривали ядро радиусом от 1400 до 2000 км. Однако, подробное внутреннее строение Марса и глубина границ между корой, мантией и ядром были абсолютно неизвестными.

После успешного развертывания эксперимента SEIS на поверхности Марса в начале 2019 года, ученые миссии, включая 18 французских соавторов, работающих в широком кругу французских учреждений и лабораторий, вместе со своими коллегами из Швейцарской высшей школы в Цюрихе, Кельнского университета и Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене (США) собирали и анализировали сейсмические данные в течение одного марсианского года (почти двух земных лет).

Следует отметить, что для одновременного определения структурной модели, времени (прибытия) землетрясения и его расстояния обычно требуется больше одной станции. Однако на Марсе ученые имеют только одну станцию InSight. Поэтому нужно было искать в сейсмических записях характерные особенности волн, различным образом взаимодействовали бы с внутренними структурами Марса, и выявлять и подтверждать их. Эти новые измерения в сочетании с минералогическим и тепловым моделированием внутренней структуры планеты позволили преодолеть ограничения, наложенные наличием одной станции. Этот метод открывает новую эру для планетарной сейсмологии.

Одна станция, множественные находки

Еще одна сложность с Марсом — низкая сейсмичность и сейсмический шум, создаваемый его атмосферой. На Земле землетрясения намного сильнее, а сейсмометры эффективнее располагаются в хранилищах или под землей, что позволяет получить четкое изображение внутренней части планеты. В связи с этим, особое внимание нужно было уделять данным. "Но, хотя марсианские землетрясения имеют относительно низкую силу, менее 3,5, очень высокая чувствительность датчика VBB в сочетании с очень низким уровнем шумов в ночное время позволили нам сделать открытия, которые два года назад мы считали возможными лишь при землетрясениях с магнитудой более 4", - объясняет Филипп Лоньонне, профессор Парижского университета и главный исследователь инструмента SEIS в IPGP.

Ежедневно данные, обрабатываемые CNES, IPGP и CNRS и передаваемые ученым, тщательно очищались от окружающего шума (ветра и деформаций, связанных с быстрыми перепадами температур). Международная команда Службы землетрясений Марса (MQS) ежедневно регистрировала сейсмические события: сейчас каталогизированы более 600, из которых более 60 вызваны относительно удаленными землетрясениями.

Около десяти последних содержат информацию о глубинном строении планеты: "Прямые сейсмические волны от землетрясения немного напоминают звук наших голосов в горах: они производят эхо. И именно эти эхо, отраженные от ядра, или границы коры-мантии или даже поверхности Марса, мы искали в сигналах, благодаря их схожести с прямыми волнами", - объясняет Лоньонне.

Измененная кора, раскрытая мантия и большое жидкое ядро

Сравнивая поведение сейсмических волн во время их путешествия сквозь кору до достижения станции InSight, было обнаружено несколько разрывов в коре. Первый, который наблюдался на глубине около 10 км, обозначает границу между сильно измененной структурой, возникшей в результате циркуляции жидкости очень давно, и корой, которая лишь незначительно изменена. Второй разрыв на глубине около 20 км и третий, менее выраженный, на глубине около 35 км, проливают свет на стратификацию коры под InSight: "Чтобы определить эти разрывы мы использовали все новейшие аналитические методы, как с землетрясениями тектонического происхождения, так и с вибрациями, вызванными окружающей средой (сейсмический шум)", - говорит Бенуа Таузин, старший преподаватель Лионского университета и исследователь Лионской геологической лаборатории - Земля, планеты, окружающая среда (LGL-TPE).

В мантии ученые проанализировали разницу между временем прохождения волн, возникающих непосредственно во время землетрясения, и временем волн, которые образуются при отражении этих прямых волн от поверхности. Эти различия позволили, используя только одну станцию, определить структуру верхней мантии, и в частности вариацию сейсмических скоростей с глубиной. Однако такие вариации скорости связаны с температурой. "Это означает, что мы можем оценить тепловой поток Марса, который, вероятно, в три-пять раз ниже земного, и наложить ограничения на состав марсианской коры, которая, как считается, содержит более половины теплопроводных радиоактивных элементов, которые присутствуют у планеты", - добавляет Анри Самуэль, исследователь CNRS в IPGP.

Наконец, в третьем исследовании ученые искали волны, отраженные от поверхности марсианского ядра, измерения радиуса которого было одним из главных достижений миссии InSight. "Для этого, - объясняет Мелани Дрилло, инженер-исследователь Высшего института аэронавтики и космоса, Франция (ISAE-SUPAERO) - мы протестировали несколько тысяч моделей мантии и ядра на соответствием наблюдаемым фазам и сигналам". Несмотря на низкие амплитуды сигналов, связанных с отраженными волнами (известными как волны ScS), в моделях наблюдался избыток энергии для ядер радиусом от 1790 км до 1870 км. Такой большой размер предполагает наличие легких элементов в жидком ядре и имеет значительные последствия для минералогии мантии на границе мантия/ядро.

Цели достигнуты, возникают новые вопросы

Более двух лет сейсмического мониторинга привели к созданию самой первой модели внутренней структуры Марса, до самого ядра. Таким образом, Марс присоединяется к Земле и Луне в клубе для избранных с планетами земной группы и спутниками, глубинные структуры которых исследованы сейсмологами. И, как это часто случается при исследовании планет, возникают новые вопросы: является ли изменение верхних 10 км коры общим, или ограничивается зоной посадки InSight? Какое влияние окажут эти первые модели на теории формирования и тепловой эволюции Марса, в частности, в течение первых 500 млн лет, когда на поверхности Марса была жидкая вода и интенсивная вулканическая активность?

С двухлетним продолжением миссии InSight и дополнительной электроэнергией, полученной после успешной очистки солнечных панелей, проведенного Лабораторией реактивного движения, новые данные должны консолидировать и усовершенствовать эти модели.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.