Природа ядра Марса раскрывается благодаря проходящим через него сейсмическим волнам
С ноября 2018 года по декабрь 2022 года миссия НАСА InSight исследовала внутреннюю структуру Марса. Анализ сейсмических волн, записанных зондом, позволил определить толщину и состав различных внутренних слоев, а также тепловое состояние планеты. Впервые ученые идентифицировали сейсмические волны, распространяющиеся через ядро: эти данные не только характеризуют ядро планеты, но и позволяют лучше понять процесс формирования теллурических планет.
Миссия InSight (Interior exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) приземлилась в регионе Равнина Элизий 26 ноября 2018 года. Для выполнения своей миссии посадочный аппарат был оснащен сейсмометром с очень широким диапазоном частот (SEIS) и датчиком теплового потока (HP3). Данные, собранные за четыре года, позволили охарактеризовать марсианскую кору и мантию. Приливные силы, оказываемые Фобосом - одной из двух малых спутников Марса - также позволили предположить, что марсианское ядро в основном, если не полностью, жидкое.
Упругие свойства и состав ядра были оценены с помощью теоретических моделей, но еще не подтверждены. Международная исследовательская группа, включая сейсмологов из Университета Мэриленда (UMD), впервые смогла использовать сейсмические данные с Марса для прямого определения свойств ядра: оно состоит из полностью жидкого сплава железа с высоким содержанием серы и кислорода. Эти результаты также проливают свет на то, почему Марс так сильно отличается от Земли.
Жидкое ядро, особенно богатое легкими элементами
"В 1906 году ученые впервые обнаружили ядро Земли, наблюдая за тем, как сейсмические волны от землетрясений влияют на их движение через него. Более 100 лет спустя мы применяем наши знания о сейсмических волнах к Марсу", — сказал Ведран Лекич, доцент геологии в UMD и соавтор исследования, в котором сообщается об открытии. Хотя миссия InSight завершилась несколько месяцев назад, ученые все еще тщательно изучают собранные данные.
На сегодняшний день только два сейсмических события - обозначенные как S0976a и S1000a - были идентифицированы как расположенные на полушарии Марса напротив посадочной площадки InSight. Эти события были обнаружены с помощью фаз, идентифицированных как PP и SS волны, которые опускаются на глубину почти 1200 км в марсианскую мантию и отражаются от поверхности Марса на середине своего пути, объясняют исследователи в своей статье.
Сравнивая время прохождения волн через ядро (отмечено SKS) с теми, которые остаются в мантии (волны PP и SS), и объединяя эту информацию с другими сейсмическими и геофизическими измерениями, команда смогла оценить плотность и сжимаемость проходящего материала. Результаты показывают, что Марс, скорее всего, имеет полностью жидкое ядро - в отличие от Земли, которая сочетает жидкое внешнее ядро с твердым внутренним (также известным как "семя"). Его радиус составляет от 1780 до 1810 километров.
Исследователи также смогли узнать больше о химическом составе ядра: "Наши результаты соответствуют ядру, богатому серой, с меньшей долей кислорода, углерода и водорода", — отмечают они, добавляя, что 20-22% массы ядра составляют эти легкие элементы. Это еще одно существенное отличие от Земли, ядро которой состоит в основном из железа и никеля, с гораздо меньшей долей легких элементов.
Геофизические различия, объясняющие отсутствие жизни
Поэтому марсианское ядро, по-видимому, гораздо менее плотное и более сжимаемое, чем земное, что говорит о различных условиях формирования этих двух планет. Исследователи сообщают о плотности 6,2-6,3 г/см3 (по сравнению с 10 г/см3 для внешнего ядра и 13 г/см3 для внутреннего ядра Земли). Эта разница может частично объяснить, почему жизнь появилась на Земле, а не на Марсе. "Конечным результатом процессов формирования и эволюции может быть создание или отсутствие условий, благоприятных для жизни", — говорит Николас Шмерр, доцент геологии в UMD и соавтор статьи.
Следует помнить, что именно во внешнем ядре генерируется магнитное поле Земли посредством самоподдерживающегося механизма динамо (основанного на конвективных движениях металлических сплавов в жидкой части ядра). Это магнитное поле сыграло важную роль в возникновении жизни, защищая поверхность от солнечных ветров.
В настоящее время Марс не имеет магнитного поля, но следы магнетизма, сохранившиеся в марсианской коре, указывают на то, что оно, вероятно, существовало в прошлом. Лекич и Шмерр отмечают, что это может означать, что Марс постепенно превратился из потенциально пригодной для жизни среды в гораздо более враждебную. Условия внутри планеты, вероятно, сыграли ключевую роль в этой эволюции. Процессы, ответственные за это серьезное изменение, еще предстоит выяснить.
Между тем, эти результаты подтвердили точность моделей, проведенных для получения первоначального представления о внутренней структуре Марса; следовательно, эти модели могут быть применены к другим планетам. Авторы также считают, что подобные исследования прокладывают путь для будущих экспедиций по изучению геофизики других небесных тел, включая Венеру и Меркурий.