Направи дарение на училище!

Преките сеизмични наблюдения дават улики за структурата и еволюцията на червената планета. Изображение: NASA

Вътрешността на една планета крие важни улики за нейния произход и нейната топлинна и динамична еволюция. Изследването на по-дълбоките слоеве на планетата може да разкрие как една планета се е натрупала и диференцирала на слоеве, дали ядрото ѝ поддържа геодинамо, което създава магнитно поле, и какъв е произходът на всяка тектонска и вулканична дейност. 

Сега са открити нови улики за Марс и направени първите открития на вътрешната структура на планетата въз основа на данни от кацналия апарат на НАСА InSight (проучване на вътрешността с помощта на сеизмични изследвания, геодезия и топлопренос). Тези изследвания за първи път предоставят директни наблюдения на кората, мантията и структурата на ядрото на друга скалиста планета освен Земята, за които резултатите и последиците могат да бъдат сравнени и контрастирани с характеристиките на нашата планета.

Разбери повече за БГ Наука:

***

Недрата на Марс могат да бъдат изследвани със записи на сеизмичните вълни, които се разпространяват през планетата след земетресение. За Земята първото измерване на вълни, гмуркащи се дълбоко през мантията, е направено през 1889 г. в Германия на земетресение в Япония. Следователно глобалната сеизмология е сравнително млада наука. Чак през първите десетилетия на ХХ век сеизмолозите разкриха основните слоеве на Земята – тоест границите между кората и мантията на 30 км под земната повърхност, мантията и ядрото приблизително по средата на центъра и малката вътрешна сърцевина.

Компютърно изображение на InSight с разтворени соларни панели на повърхността на Марс.

В голям подвиг на инженерството, InSight кацна на Марс през ноември 2018 г. Неговият сеизмометър, SEIS (сеизмичен експеримент за вътрешна структура), започна да записва земетресения през февруари 2019 г. Измерването на земните движения на Марс идва с редица предизвикателства.

Въпреки че чувствителните сензори в SEIS измерват движението на земята по три оси и през честоти, неговите записи се получават само на едно място. Това го ограничава в прецизността доколко добре той може да локализира епицентровете и времето на земетресението. И въпреки че предпазен щит заобикаля SEIS, неговите сензори все още записват смущения, причинени от климатични промени, включително вълни от атмосферно налягане и прахови бури. Тези сигнали дават интересни улики за атмосферата на Марс и нейната дневна и сезонна променливост, но за тези, които изучават марсотресенията и вътрешността на Марс, тези сигнали обикновено се считат за „шум“. Геологията на Марс също създава предизвикателства. Неговата скалиста повърхност на почвата разсейва сеизмичната енергия близо до сеизмометъра, усложнявайки идентификацията на вълните.

Резултатите от мисията InSight вече показаха, че Марс е сеизмично активен. Марсотресенията са в изобилие, макар и слаби по магнитуд. Изчислено е, че всички, наблюдавани през 2-те години на запис, са с магнитуд под 4.0, какъвто хората биха усетили само на няколко километра от епицентъра.

По-голямата част от марсотресенията възникват в кората и създават силни реверберации вътре, което прави отделните вълни трудни за идентифициране. По-малък брой се генерира под кората и външният им вид наподобява тектонските събития на Земята. Изследванията на Knapmeyer-Endrun et al., Khan et al. и Stähler et al. използват данни от около 10 от тези подкорови земетресения, за да разкрият вътрешната структура на Марс.

Изображение: NASA

Измервания на марсианско ядро

Сеизмичните вълни ни разказват за свойствата и границите на вътрешността на планетата. Срязващите вълни, които се движат от марсотресение и отразяват от желязо-никеловата сърцевина, се откриват от сеизмометъра на InSight и ни дават оценка за размера на сърцевината. Силата на отразените вълни показва, че ядрото е в течно състояние, през което срязващите вълни не могат да се разпространяват. 

За да се преодолеят предизвикателствата при работа с шумни и оскъдни сеизмични данни, проучванията подготвят и сравняват редица техники за анализ на данни, изследват сигнали в различни честотни диапазони и комбинират данни от множество земетресения.
И за трите проучвания независими изследователски групи прилагат своите методи на експертиза, за да стигнат до стабилни резултати или да предоставят допълнителни ограничения. По-специално, сеизмолозите са работили заедно с широк екип от планетарни учени, специализирани в петрологията, геохимията, физиката на минералите и геодинамиката, за да разберат резултатите и предполагаемата структура и еволюция на Марс. Сеизмичните данни бяха комбинирани с композиционни ограничения от марсиански метеорити, както и с други геофизични наблюдения като повърхностна топография и топлинен поток, гравитационни и геодезически данни и наблюдения на намагнитването на земната кора.

Въпреки че откриването на вълни от малки земетресения далеч не е тривиално, вълните, отскачащи от ядрото на Марс, ще бъдат още по-слаби и поради това са по-предизвикателни за наблюдение. Stähler et al. докладват първите наблюдения на слаби сигнали, отскачащи от границата към ядрото на Марс. Те установиха, че ядрото започва около 1560 км дълбочина, почти на половината до центъра. Това е повече отколкото предишните оценки.
Предвид известната маса и инерционния момент на Марс, това означава, че сърцевината е по-малко плътна, отколкото се смяташе досега, и че нейната сплав желязо-никел трябва да е силно обогатена със сяра и други леки елементи. Силата на отскачащите вълни потвърждава, че ядрото все още е в течно състояние, както се подозира от приливната реакция на Марс и за сплав, обогатена със сяра при изчислени температури на ядрото на Марс над 1800 K.

Наличието на сравнително тънка мантия означава, че на Марс липсва плътният, изолационен слой от бриджманитовия минерал, който става стабилен при големи налягания в земната мантия. Липсата на този минерал би довела до по-бързо охлаждане на ранното марсианско ядро, потенциално задвижвайки геодинамично създаване на магнитно поле. Оттогава това геодинамо е преустановено и сега се доказва само от намагнетизирани по-стари скали от кората. Магнитометърът на InSight установи, че намагнитването в марсианската кора, наблюдавано на повърхността, е 10 пъти по-силно от това, моделирано на базата на сателитни данни. Тези нови наблюдения предполагат, че ранното геодинамо на Марс трябва да е било сходно по сила с днешното геодинамо на Земята.

Вместо да използват сеизмични вълни, които отскачат от ядрото, Khan et al. използват вълни, които или пътуват директно от марсотресението до сеизмометъра, или отскачат от повърхността на Марс, за да разкрият плитката структура на марсианската мантия. Времената на движение и амплитудите на тези вълни показват, че скоростта на сеизмичната срязваща вълна намалява постепенно в марсианската мантия до дълбочини от 400 до 600 км. Това намаляване на скоростта на сеизмичните вълни може да бъде причинено от термичната структура в статичната, дебела външна обвивка (литосферата) върху повърхността на конвектиращата мантия. 

По-близо до повърхността, KnapmeyerEndrun et al. изобразява локалната структура на марсианската кора, като идентифицира преобразуването на енергия от плитки слоеве чрез редица методи. Проучването е агностично за това дали има двуслойна кора с дебелина 20 км или трислойна кора с дебелина 39 км на мястото на кацането на InSight.
И двата модела с дебелина на кората сочат подземната кора като по-малко плътна от повърхностните материали в различна степен, което показва, че материалът е силно променен с течение на времето.

Тези три проучвания осигуряват важни уточнения за днешната структура на Марс и са ключови за подобряване на разбирането ни за това как планетата се е формирала преди милиарди години и еволюирала във времето. Knapmeyer-Endrun et al. и Khan et al. както моделират историята на охлаждането и диференциацията на Марс, така и тестват кои параметри водят до предложената кора и дебела литосферна структура. Те откриват, че кората трябва да бъде 13 до 21 пъти по-обогатена с радиоактивни топлинни елементи в сравнение с мантията. Това е повече от оценките, основани на измервания на повърхностни материали и поставя нови граници на състава и образуването на кората на Марс. Моделите също установяват, че мантията под дебелата застояла литосфера се извива бавно.

Наблюденията на силно обогатена кора, дебела термична литосфера, мудна мантия и липсата на изолираща долна мантия сега ще трябва да бъдат изследвани допълнително в модели с динамична мантия. Такива модели ще проверят дали вътрешната динамика, а не гигантско въздействие, би могла да причини силната топографска дихотомия на Марс – осеяни с кратери южни планини и гладки равнини в северните низини – или дали един мантиен шлейф би могъл да предизвика вулканизма под широкото издигане на Тарсис, най-обширната топографска характеристика на планетата. Тези видове динамични процеси контролират скоростта на вулканизма, летливите газове и ранната обитаемост на планетата.

Намаляването на сеизмичните скорости в плитката мантия и наличието на относително голямо ядро ​​допринасят за по-голямо огъване на сеизмичната енергия от марсотресения по-дълбоко в планетата. Това предсказва съществуването на т. нар. зони на сеизмични сенки – по-малко директна или никаква сеизмична енергия би пристигнала на по-големи разстояния от земетресението. SEIS няма да наблюдава земетресения на определени разстояния, като по този начин подценява сеизмичната активност на Марс. От решаващо значение, поради по-голямото ядро, SEIS се намира в сеизмична сенчестата зона в тектонското и вулканично активно Тарсиско издигане. Положителната страна е, че предварителните модели на марсианската мантия, представени от тези изследвания, ще помогнат за локализирането на повече подкорови земетръси и идентифициране на повече отскачащи от ядрото вълни, вероятно дори вълни, пресичащи ядрото. 

С мисията InSight, която в момента е удължена до края на 2022 г., се очаква броят на висококачествените наблюдения да се удвои, оставяйки много възможности за добавяне на детайли и подобряване на моделите на Марс.
Преките сеизмични наблюдения на Марс представляват голям скок напред в планетарната сеизмология. Размерът на марсианското ядро, слоевете на земната кора и дебелата литосфера осигуряват важна информация за топлинната и динамична еволюция на Марс.
През следващите години, тъй като ще се измерват още земетресения, учените ще усъвършенстват тези модели на червената планета и ще разкрият повече от загадъчните мистерии на Марс.

Източник: Science
Превод: Радослав Тодоров

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!