Nature: Разгадана тайна марсианской оболочки

В течение четырех лет посадочный аппарат НАСА InSight регистрировал толчки на Марсе с помощью своего сейсмометра. Исследователи из ETH Zurich собирали и анализировали данные, передаваемые на Землю, чтобы определить внутреннее строение планеты.

Хотя миссия завершилась в декабре 2022 года, мы обнаружили кое-что очень интересное, — говорит Амир Хан, старший научный сотрудник отделения наук о Земле Цюрихского технологического института.

Анализ зарегистрированных марсотрясений в сочетании с компьютерным моделированием позволил составить новую картину внутреннего строения планеты. Между ядром Марса, состоящим из жидкого железного сплава, и его твердой силикатной мантией находится слой жидкого силиката (магмы) толщиной около 150 км. «На Земле нет такого полностью расплавленного силикатного слоя.

Этот вывод, опубликованный в научном журнале Nature вместе с исследованием Анри Самюэля (Henri Samuel) из Института физики «Глобус-де Пари», который пришел к аналогичному выводу, используя взаимодополняющие методы, также дает новую информацию о размерах и составе ядра Марса, разрешая загадку, которую исследователи до сих пор не могли объяснить.

Анализ первоначально наблюдавшихся марсотрясений показал, что средняя плотность марсианского ядра должна быть значительно ниже плотности чистого жидкого железа. Например, земное ядро состоит из железа примерно на 90% по массе. Легкие элементы, такие как сера, углерод, кислород и водород, составляют в сумме около 10% по массе. Первоначальные оценки плотности марсианского ядра показали, что оно состоит из гораздо большей доли легких элементов — около 20% по массе.

Это очень большое количество легких элементов, граничащее с невозможным. С тех пор мы не перестаем удивляться этому результату, — говорит Доньян Хуанг, постдокторант кафедры наук о Земле ETH Zurich.

Меньше легких элементов

Новые наблюдения показывают, что радиус марсианского ядра уменьшился с первоначально определенного диапазона 1 800-1 850 км до где-то  в диапазоне 1 650-1 700 км, что составляет около 50% от радиуса Марса. Если марсианское ядро меньше, чем считалось ранее, но имеет ту же массу, то, следовательно, его плотность больше и, следовательно, оно содержит меньше легких элементов. Согласно новым расчетам, доля легких элементов снизилась до 9-14% по массе.

Это означает, что средняя плотность марсианского ядра все еще остается несколько низкой, но уже не является необъяснимой в контексте типичных сценариев формирования планет, — говорит Паоло Сосси, доцент кафедры наук о Земле ETH Zurich и член Национального центра компетенции в исследованиях (NCCRs) PlanetS.

Тот факт, что марсианское ядро содержит значительное количество легких элементов, указывает на то, что оно должно было сформироваться очень рано, возможно, когда Солнце еще было окружено газовой туманностью, из которой легкие элементы могли накапливаться в марсианском ядре.

Первоначальные расчеты основывались на сотрясениях, происходивших в непосредственной близости от посадочного аппарата InSight. Однако в августе и сентябре 2021 года сейсмометр зарегистрировал два землетрясения на противоположной стороне Марса. Одно из них было вызвано падением метеорита. «Эти землетрясения вызвали сейсмические волны, которые прошли через ядро», — объясняет Сесилия Дюран, докторант кафедры наук о Земле ETH Zurich.

Это позволило нам осветить ядро.

В случае более ранних марсотрясений, напротив, волны отражались от границы ядра и мантии, не давая никакой информации о глубинных недрах Красной планеты. В результате новых наблюдений исследователям удалось определить плотность и скорость сейсмических волн в жидком ядре на глубине около 1 000 км.

Суперкомпьютерное моделирование

Чтобы определить состав материала по таким профилям, исследователи обычно сравнивают полученные данные с данными синтетических сплавов железа, содержащих различные пропорции легких элементов (S, C, O и H). В лабораторных условиях эти сплавы подвергаются воздействию высоких температур и давлений, эквивалентных тем, которые существуют в недрах Марса, что позволяет исследователям напрямую измерять плотность и скорость сейсмических волн. Однако в настоящее время большинство экспериментов проводится в условиях, характерных для земных недр, поэтому они не могут быть сразу применены к Марсу. Поэтому исследователи из ETH Zurich прибегли к другому методу. Они рассчитали свойства различных сплавов с помощью квантово-механических расчетов, которые проводились в Швейцарском национальном суперкомпьютерном центре (CSCS) в Лугано (Швейцария).

Когда исследователи сравнили рассчитанные профили со своими измерениями по данным сейсморазведки InSight, они столкнулись с проблемой. Оказалось, что ни один сплав железа с легкими элементами не соответствует данным одновременно в верхней и центральной частях марсианского ядра. Например, на границе ядра и мантии сплав железа должен был содержать гораздо больше углерода, чем в недрах ядра.

Нам потребовалось некоторое время, чтобы понять, что область, которую мы ранее считали внешним жидким железным ядром, на самом деле не ядро, а самая глубокая часть мантии, — объясняет Хуанг.

В подтверждение этого исследователи также обнаружили, что плотность и скорость сейсмических волн, измеренные и рассчитанные во внешней 150-километровой части ядра, соответствуют плотности и скорости жидких силикатов — того самого материала, из которого в твердом виде состоит марсианская мантия.

Дальнейший анализ более ранних марсотрясений и дополнительное компьютерное моделирование подтвердили этот результат. Остается только сожалеть, что запыленность солнечных батарей и, как следствие, недостаток энергии не позволили зонду InSight получить дополнительные данные, которые могли бы пролить свет на состав и структуру недр Марса.

Тем не менее, миссия InSight была очень успешной и дала нам много новых данных, которые будут анализироваться еще долгие годы, — говорит Хан.

25.10.2023