Анализ сейсмических сигналов на марсианской станции InSight впервые позволил определить вероятную толщину коры, размеры и структуру ядра Марса. Правда, из-за малого количества данных по марсианским сейсмическим толчкам у планетологов сегодня есть две модели строения коры планеты — варианты «тонкой» и «толстой» коры. В первой модели средняя толщина коры составляет от 24 до 38 километров, во второй — от 39 до 72 км. Ядро Марса оказывается жидким и имеет существенный размер — его радиус составляет около 1830 километров, или половину радиуса планеты. Это свидетельствует о сравнительно тонкой мантии, в которой выделяется только один слой, в отличие от Земли. Это первое прямое определение внутренней структуры планеты — кроме Земли.
После тридцати лет космических полётов к Марсу о нём известно достаточно много. Подобно Земле, Марс когда-то имел сильное магнитное поле, которое, вероятно, создавалось жидким ядром. Про это мы знаем, например, по породам коры в южном марсианском полушарии, сохранившим намагниченность. Но со временем поле исчезло, атмосфера Марса улетучилась в космос, а поверхность планеты стала холодной и гораздо меньше приспособленной для жизни, чем Земля. В ряде исследований делали попытки оценить толщину коры Марса, моделируя гравитационные условия в каждой точке исходя из наблюдаемого рельефа и гравитационной спутниковой съёмки. Оценки средней толщины коры на основе таких расчётов варьируются от 30 километров до значений выше 100 км. Чтобы отследить историю формирования и эволюцию планеты, нужно исследовать марсианскую кору, узнать точный состав и размер ядра и ответить на вопрос, есть ли у Марса, как у Земли, нижняя мантия особого состава. Если бы удалось узнать среднюю толщину коры, это значение стало бы основным входным элементом для исследования тепловой эволюции планеты.
Исследование внутренней структуры Марса по сейсмическим сигналам на станции InSight.
Станция NASA InSight находится на поверхности Марса с конца 2018 года. Так же, как и сеть сейсмометров на Земле, InSight определяет размеры ядра и другие элементы внутренней структуры, изучая сейсмические волны, которые проходят сквозь толщу планеты и отражаются от внутренних границ разделов, в частности, от самых важных границ мантия — ядро и кора — мантия. Для таких исследований на Марсе необходимо дождаться редких марсианских землетрясений или падения очередного метеорита, который может также вызвать сейсмический удар. В начале 2019 года марсианский посадочный модуль InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) начал фиксировать данные по марсианским «землетрясениям», то есть марсотрясениям на точке своего местонахождения недалеко от марсианского экватора. Из-за отсутствия тектоники плит на Марсе такие события происходят значительно реже, чем на Земле; тем не менее удалось зафиксировать несколько ощутимых подкоровых сейсмических толчков. Такие события, как и на Земле, можно использовать для исследования глубинной структуры планеты. Более подробно метод сейсмотомографии на Марсе, его ограничения и первые результаты по данным InSight (по состоянию на август 2020 года) описывает отдельная большая статья. Через год после упомянутых там результатов в исследовании внутреннего строения планеты удалось продвинуться несколько дальше, используя, в частности, информацию по нескольким крупным марсотрясениям. Особенности внутреннего строения Марса планетологи описали в серии из трёх статей, опубликованных в июле 2021 года в одном номере Science.
Сейсмограмма с моментами прихода различных видов сейсмических волн от землетрясения.
При марсотрясении или другом крупном возмущении вроде падения метеорита от места толчка отходят первичные сейсмические волны (продольные, или P-волны), которые со скоростью порядка нескольких километров в секунду проходят сквозь породы. За ними следуют вторичные (поперечные, или S-волны) с меньшей скоростью. В продольных волнах колебания среды происходят в направлении вдоль распространения волны, в поперечных — перпендикулярно вектору распространения. Более подробно про структуру этих типов волн можно прочитать во вставке к уже упомянутой статье о марсианской сейсмотомографии. Кроме продольных и поперечных волн внутри вещества ещё выделяют несколько типов поверхностных волн, которые распространяются вдоль границ раздела двух сред (например, это волны на море). Все эти многочисленные разновидности сейсмосигналов так или иначе можно использовать для исследования внутренней структуры планеты. Измерение промежутка времени между приходом волн позволяет определить, как далеко произошло землетрясение, потому что отставание более медленной волны увеличивается по мере удаления от источника. Сейсмические волны проходят через разные вещества с разной скоростью, что даёт возможность даже определить химический состав пород внутри планеты. При этом, конечно, анализ проводится с опорой на данные по составу Земли в предположении, что структура внутренних слоёв у планет должна быть хотя бы примерно похожей. Из более тысячи зарегистрированных марсотрясений для анализа использовали только около десятка с наибольшей амплитудой толчков.
Два варианта строения марсианской коры по сейсмическим данным. Science 373 6553, 438 (2021).
Исходя из предварительного анализа данных InSight, исследователи остановились на двух конкурирующих моделях для объяснения сейсмических данных. Так, в «модели толстой коры» её толщина в среднем по планете составляет от 27 до 47 километров, и в ней можно выделить три слоя. Альтернативная «тонкая» модель предполагает толщину от 15 до 25 километров с разделением на два слоя.
Две модели появились из-за того, что на небольших глубинах сейсмические данные выделяют несколько отражающих поверхностей, и уверенно нельзя сказать, какая из них отвечает искомой нижней границе коры. Сделать вывод в пользу одного или другого варианта можно будет в будущем, когда удастся поймать больше марсотрясений. Но даже эти данные намного точнее результатов по измерениям с марсианских орбитальных аппаратов. Марсианская кора даже в «толстой» версии заметно меньше, чем земная континентальная кора (до 70 км). В таком тонком слое должна должна наблюдаться более высокая концентрация радиоактивных элементов, обеспечивающих измеряемый тепловой поток. Это предполагает, что необходимо пересмотреть и предыдущие модели химического строения коры.
Принцип изостазии и связь высоты гор и толщины земной коры.
Далее, эти точечные измерения в месте работы станции можно с должной осторожностью экстраполировать на всю планету, составив общепланетарную карту толщин марсианской коры. Для этого можно использовать данные по рельефу и гравитации в разных точках Марса. Связь толщины и плотности земной коры с рельефом хорошо известна на Земле — так, под континентами и высокими горами континентальная кора уходит глубже — это знакомое в геологии явление изостазии, или изостатического равновесия. Это можно представить как равновесие айсбергов разной высоты (фрагменты литосферы), плавающих в океане (слои мантии под литосферой). Чем больше толщина айсберга, тем он глубже уходит под воду, но одновременно тем больше его высота над водой. Поэтому под материками, особенно под высокогорьем на Земле кора уходит вглубь до 70 км, а под океанами составляет всего 5—10 км. На Марсе «материков» и «океанов» нет, но такую корреляцию с рельефом хотя бы в первом приближении ожидать можно.
Одна из моделей распределения толщины марсианской коры по планете, полученная экстраполированием точечных данных в месте работы InSight (отмечено звёздочкой вблизи экватора). Тонкая кора распространена в северном марсианском полушарии с низким рельефом, а толстая — в южном, под гористыми областями.
Под корой располагается мантия. Переход кора — мантия — важная сейсмическая граница, или поверхность Moho с резким изменением скоростей сейсмических волн по обе стороны. Предполагается, что и на Земле, и на Марсе этот переход связан с изменением состава и плотности пород. Кора и самая верхняя часть мантии объединяются понятием литосфера, или жёсткая оболочка планеты, которая располагается на более пластичных породах (литосферу не следует путать с корой — кора составляет верхнюю часть литосферы, но они определяются в разных геологических классификациях). Марсианская литосфера из более жёстких пород достигает в глубину 400 — 600 километров, то есть она примерно в два раза глубже, чем на Земле. Тектоника Земли, в отличие от Марса, определяется движением нескольких литосферных плит.Такая разница, возможно, возникает из-за того, что у Марса есть только одна континентальная плита в отличие от Земли, где в земной коре выделяются семь крупных плит и некоторое количество мелких. Относительное движение этого множества плит определяет бурную тектонику Земли с очагами землетрясений и вулканизма, чётко привязанными к границам плит. Подробнее про литосферные плиты на Земле можно прочитать во вставке к этой статье. Тектоника, в свою очередь, является ключевым фактором для геологической эволюции Земли, которая, скорее всего, обуславливает и эволюцию биологическую. Марс этого лишён, и следы прошлых геологических процессов на нём сохраняются миллиарды лет. Насколько он был тектонически активен в прошлом — это вопрос для будущих исследований.
Сейсмические измерения также показывают, что минеральный состав марсианской мантии аналогичен составу верхней мантии Земли. Марсианская мантия, таким образом, представляет упрощённый аналог земной (на Земле нужно различать как минимум верхнюю и нижнюю мантию, а более детальный анализ предполагает и дальнейшее разделение на разные слои). Но сейсмоданные указывают на различие химического состава. Марсианская мантия содержит больше железа по сравнению с земной. Но возможность стратификации мантии Марса зависит от размера марсианского ядра под ней.
Внутреннее строение и основные сейсмические границы Земли.
При помощи слабых сейсмосигналов, достигающих глубинных слоёв планеты, также удалось уточнить размеры и свойства ядра Марса. На глубине 1560 километров располагается жидкое ядро радиусом около 1830 километров — это на 200 километров больше, чем считалось 15 лет назад (оценки по данным орбитальных станций). Напомним, что вывод о том, что ядро внутри планеты жидкое, можно сделать исходя из особенностей прохождения разных типов волн. Так, в жидкости и газе не распространяются поперечные S-волны — именно так в своё время в начале XX века было открыто жидкое внешнее ядро Земли. Возможно, как и на Земле, что на Марсе присутствует и внутреннее твёрдое ядро, но пока про это ничего сказать нельзя. Большой размер ядра означает, что его плотность должна быть меньше, чем считалось раньше — около 6 грамм на кубический сантиметр, что указывает на большое содержание в его составе серы и кислорода — здесь опять предполагается «типичный» состав железо-никелевого ядра (Fe N)-S у планет земной группы, похожий на земной.
Присутствие лёгких элементов указывает на то, что Марс мог образоваться достаточно рано и быстро, собирая при этом материал Солнечной системы, в котором оставалось больше лёгких элементов. Поскольку ядро начинается практически на середине радиуса планеты, места для мантии остаётся немного — естественно предположить, что мантия имеет только один слой, в отличие от земной. Отсутствие нижнего слоя мантии означает отсутствие распространённого на Земле минерала бриджманита. Это характерный минерал нижней мантии Земли — модификация энстатита, которая существует только под высоким давлением. Он должен бы изолировать ядро и не давать ему остыть, тем самым влияя на магнитное поле планеты. Исследователи надеются увидеть ещё хотя бы с десяток марсотрясений магнитудой 4 и выше до окончания работы InSight, чтобы сузить диапазон возможных размеров и химических элементов в коре и ядре Марса.
Внутреннее строение Земли, Марса и Луны.
Источник: