Как устроен Марс внутри?
Первое в истории сейсмическое исследование Марса позволило изучить его внутреннее строение.
Используя данные, полученные в результате регистрации сейсмометром SEIS, разработанным во Франции, более десяти землетрясений на Марсе, международная группа исследователей миссии NASA InSight сумела получить много новой информации о структуре планеты. Сразу три статьи [1, 2, 3], опубликованные 23 июля 2021 года в журнале Science, впервые дают оценку размера ядра планеты, толщины ее коры и структуры мантии на основе анализа отраженных и модифицированных сейсмических волн.
До этого о внутренней структуре Марса была известно немного. Строение Земли во многом было изучено благодаря сейсмологии – изучению прохождения упругих волн, возникающих при землетрясениях и взрывах, сквозь земные породы. На Марсе до миссии NASA InSight такой возможности не было. Модели основывались только на анализе спутниковых гравиметрических и топографических данных, значений момента инерции и плотности планеты. Исходя из этого, толщина земной коры оценивалась от 30 до 100 км, а радиус ядра от 1 400 до 2 000 км. Однако детальное внутреннее строение Марса и глубина границ между корой, мантией и ядром были совершенно неизвестны.
После успешного развертывания эксперимента SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure – Сейсмический эксперимент для внутренней структуры) на поверхности Марса в начале 2019 года ситуация изменилась. С этого момента исследователям удалось собрать и проанализировать сейсмические данные за один марсианский год (почти два земных года).
Следует отметить, что для сейсмических исследований обычно требуется более одной станции. Они нужны для того, чтобы запеленговать местоположение источника волн, а затем определить расстояние до него. Однако на Марсе у планетологов в наличии есть только одна станция. Поэтому им было необходимо отыскать в сейсмических записях характерные особенности волн, которые по-разному взаимодействовали с внутренними структурами Марса. Эти волны аналогичны звукам голосов в горах, которые производят эхо. Именно эхо, отраженное от ядра, или на границе кора-мантия, или даже от поверхности Марса, ученые и искали в сигнале по его сходству с прямыми волнами. Эти измерения в сочетании с минералогическим и тепловым моделированием внутренней структуры планеты позволили вести исследования даже с единственной станцией. Разработанный метод открывает новую эру в планетарной сейсмологии.
Еще одна трудность на Марсе – малое количество и слабость его землетрясений, магнитуда менее 3,5. На Земле землетрясения происходят чаще и они намного сильнее (за год происходит более 100 землетрясений с магнитудой свыше 6,0). При этом измерениям мешает сейсмический шум, создаваемый ветрами на Марсе и деформациями пород при быстрых изменениях температуры. Так что получаемые данные приходилось тщательно очищать от подобных помех. Тем не менее, очень высокая чувствительность датчика в сочетании с очень низким уровнем шума в сумерках позволила исследователям сделать открытия, которые, как считалось ранее, были возможны только при землетрясениях с магнитудой более 4.
Международная команда ежедневно регистрировала сейсмические события, которых к настоящему времени набралось свыше 600, из них более 60 были вызваны относительно удаленными землетрясениями. Около десяти последних содержат информацию о глубинном строении планеты.
Изучая поведение сейсмических волн, проходящих сквозь кору планеты к датчику, планетологи обнаружили в ней несколько разломов. Первый, наблюдаемый на глубине около 10 км, отмечает границу между сильно измененной структурой, возникшей в результате давней циркуляции жидкости и незначительно изменённой корой. Второй разрыв сплошности – на глубине около 20 км и третий, менее выраженный, – на глубине около 35 км. Вероятно, кора Марса имеет толщину от 24 до 72 км с очень глубокой литосферой, близкой к 500 километрам.
Во втором исследовании ученые изучали мантию Марса, они проанализировали разницу между временем прохождения прямых волн, возникших непосредственно во время землетрясения, и волн, возникших при их отражении от её поверхности. Эти различия позволили, используя только одну станцию, определить структуру верхней мантии и, в частности, изменение сейсмических скоростей с глубиной. Поскольку такие изменения скорости связаны с температурой, они позволяют оценить тепловой поток Марса, который, вероятно, в три-пять раз ниже, чем у Земли, и наложить ограничения на состав марсианской коры, которая, вероятно, сильно обогащена радиоактивными элементами, которые помогают нагревать её. Считается, что кора Марса содержит более половины тепловыделяющих радиоактивных элементов, имеющихся у планеты.
Наконец, в третьем исследовании планетологи искали волны, отраженные от поверхности ядра Марса, измерение радиуса которого стало одним из главных достижений миссии InSight. Сложность работы заключалась в низких амплитудах отраженных волн. Для определения характеристик внутренней структуры планеты учёные протестировали несколько тысяч моделей мантии и ядра, сравнивая возможные сигналы от них с наблюдаемыми. Ядро оказалось большим, радиусом от 1790 км до 1870 км, со средней плотностью от 5,7 до 6,3 грамма на кубический сантиметр. Это подразумевает присутствие значительного количества легких элементов, растворенных в железо-никелевом жидком ядре, и имеет серьезные последствия для минералогии мантии на границе раздела с ядром.
Это исследование позволит сделать большой шаг в понимании формирования и эволюции Марса, поскольку ключ к разгадке геологической истории планеты содержится в ее внутренней структуре, особенно в ее ядре. Одновременно оно породило и новые вопросы, например, является ли изменение верхних 10 км коры общепланетарным или оно ограничивается зоной посадки InSight? Какое влияние эти первые исследования окажут на теории формирования и тепловой эволюции Марса, особенно в течение первых 500 миллионов лет, когда на поверхности Марса была жидкая вода и интенсивная вулканическая активность?
По материалам Institut de Physique du Globe de Paris
23 июля 2021
Статьи по теме:
