Разгадайте основную тайну Красной планеты

Анализ марсианских сейсмических данных, записанных миссией InSight, а также моделирование сейсмических свойств жидких металлических сплавов на основе первых принципов показало, что жидкое железное ядро ​​Марса окружено слоем расплавленного силиката толщиной 150 километров и, как следствие, ядро меньше, чем предполагалось ранее. Уменьшение радиуса ядра указывает на более высокую плотность, чем предполагалось ранее, и соответствует металлическому ядру, состоящему на 9–15 мас.% из легких элементов, в основном S, C, O и H. Фото: Тибо Роже, NCCR PlanetS, ETH Zurich

МарсЯдро из жидкого железа меньше и плотнее, чем считалось ранее. Они не только меньше, но и окружены слоем расплавленной породы. К такому выводу пришли исследователи ETH Zurich на основе сейсмических данных спускаемого аппарата InSight.

• Год спустя НАСА Миссия InSight завершилась, а анализ зарегистрированных марсианских землетрясений в сочетании с компьютерным моделированием продолжает приносить новые результаты.
• Анализ первоначально наблюдавшихся марсианских землетрясений показывает, что средняя плотность марсианского ядра должна была быть намного ниже плотности чистого жидкого железа.
• Новые наблюдения показывают, что радиус ядра Марса уменьшился с первоначально определенного диапазона в 1800-1850 километров до 1650-1700 километров.

Открытие недр Марса: выводы посадочного модуля InSight НАСА

В течение четырех лет спускаемый аппарат НАСА InSight регистрировал толчки на Марсе с помощью сейсмометра. Исследователи из ETH Zurich собрали и проанализировали данные, отправленные обратно на Землю, чтобы определить внутреннюю структуру планеты. «Хотя миссия завершилась в декабре 2022 года, теперь мы обнаружили кое-что очень интересное», — говорит Амир Хан, старший научный сотрудник отдела наук о Земле в ETH Zurich.

Уникальный силикатный слой Марса

Анализ зарегистрированных марсианских землетрясений в сочетании с компьютерным моделированием рисует новую картину недр планеты. В ловушке между жидким марсианским железом Сплав Ядро планеты и твердая силикатная мантия лежат в слое жидкого силиката (магмы) толщиной около 150 километров. «На Земле нет такого полностью расплавленного силикатного слоя», — говорит Хан.

Этот результат теперь опубликован в научном журнале природа Вместе с исследованием Анри Самуэля из Института физики мира в Париже, который пришел к аналогичному выводу с использованием дополнительных методов, оно также предоставляет новую информацию о размере и составе марсианского ядра, раскрывая тайну, которую исследователи разгадали ранее. До сих пор Он не мог объяснить.

Основной состав Марса

Анализ первоначально наблюдавшихся марсианских землетрясений показал, что средняя плотность марсианского ядра должна была быть намного ниже плотности чистого жидкого железа. Например, ядро ​​Земли на 90% состоит из железа. Легкие элементы, такие как сера, углерод, кислород и водород, составляют в общей сложности около 10 процентов по весу.

Первоначальные оценки плотности марсианского ядра показали, что оно состоит из гораздо большей доли легких элементов — около 20% по массе. «Это представляет собой очень большую группу легких элементов, что практически невозможно. С тех пор мы задавались вопросом об этом результате», — говорит Дуньян Хуанг, постдокторант кафедры геонаук в ETH Zurich.

Генри Сэмюэл, исследователь Национального центра научных исследований и геодинамика IPGP, объясняет новую модель внутренней структуры Марса, предложенную в статье, опубликованной в журнале Nature. Исследование, проведенное учеными миссии НАСА InSight, предполагает, что марсианская мантия неоднородна и состоит из слоя расплавленных силикатов, покрывающего марсианское ядро. Эта модель, построенная на основе сейсмических данных, записанных на Марсе после падения метеорита и учитывающая все геофизические наблюдения, революционизирует наши взгляды на внутреннюю структуру и эволюцию Красной планеты. Фото: © IPGP

Переосмысление сущности Марса

Новые наблюдения показывают, что радиус марсианского ядра уменьшился с первоначально определенного диапазона 1800-1850 км до 1650-1700 км, что составляет около 50% марсианского радиуса. Если марсианское ядро ​​меньше, чем считалось ранее, но имеет ту же массу, это означает, что оно имеет большую плотность и, следовательно, содержит меньше легких элементов. Согласно новым расчетам, доля легких элементов снизилась до 9–14 процентов по массе.

«Это означает, что средняя плотность марсианского ядра все еще довольно низка, но это уже не является необъяснимым в контексте типичных сценариев формирования планет», — говорит Паоло Сузи, доцент кафедры наук о Земле в ETH Zurich и член Национальной комиссии по геологическим наукам. Центры компетенции в области исследований (NCCR) PlanetS.

Тот факт, что марсианское ядро ​​содержит большое количество легких элементов, указывает на то, что оно сформировалось очень рано, возможно, когда Солнце еще было окружено туманным газом, из которого легкие элементы могли скопиться в марсианском ядре.

Воспользовавшись преимуществами далеких марсианских землетрясений

Первоначальные расчеты основывались на толчках, произошедших недалеко от спускаемого аппарата InSight. Но в августе и сентябре 2021 года сейсмограф зафиксировал два землетрясения на другой стороне Марса. Один из них произошел из-за падения метеорита.

«Эти землетрясения вызвали сейсмические волны, которые прошли через ядро ​​Земли», — объясняет Сесилия Дюран, аспирант кафедры геонаук в ETH Zurich. «Это позволило нам осветить сердце».

Напротив, в случае предыдущих марсианских землетрясений волны отражались от границы ядра и мантии, не давая никакой информации о самых глубоких недрах Красной планеты. В результате этих новых наблюдений исследователи теперь смогли определить плотность и скорость сейсмических волн жидкого ядра на глубине около 1000 километров.

Квантово-механическое суперкомпьютерное моделирование

Чтобы сделать вывод о составе материала на основе этих профилей, исследователи обычно сравнивают данные со сплавами синтетического железа, содержащими различные пропорции легких элементов (S, C, O и H). В лаборатории эти сплавы подвергаются воздействию высоких температур и давлений, эквивалентных тем, которые наблюдаются в недрах Марса, что позволяет исследователям напрямую измерять плотность и скорость сейсмических волн.

Однако на данный момент большинство экспериментов проводится в условиях, преобладающих в недрах Земли, и поэтому не применимо непосредственно к Марсу. В результате исследователи из ETH Zurich обратились к другому подходу. Они рассчитали свойства широкого спектра сплавов, используя квантово-механические расчеты, которые они провели в Швейцарском национальном суперкомпьютерном центре (CSCS) в Лугано, Швейцария.

Когда исследователи сравнили рассчитанные профили со своими измерениями, основанными на сейсмических данных InSight, они столкнулись с проблемой. Оказывается, не существует легких сплавов железа, которые одновременно соответствовали бы данным на вершине и в центре Марса. Например, на границе ядра и мантии железный сплав должен был содержать гораздо больше углерода, чем находится внутри ядра.

«Нам потребовалось некоторое время, чтобы понять, что область, которую мы ранее считали внешним ядром из жидкого железа, на самом деле была не ядром, а самой глубокой частью мантии», — объясняет Хуанг. В подтверждение этого исследователи также обнаружили, что плотность и скорость сейсмических волн, измеренные и рассчитанные на самых дальних 150 километрах ядра Марса, согласуются с теми, которые обнаружены в жидких силикатах — том же материале в твердой форме, из которого состоит Марс. ‘ мантия. .

Дальнейший анализ предыдущих марсианских землетрясений и дополнительное компьютерное моделирование подтвердили этот вывод. К сожалению, пыльные солнечные панели и, как следствие, нехватка электроэнергии не позволили спускаемому аппарату InSight предоставить дополнительные данные, которые могли бы пролить больше света на состав и структуру недр Марса. «Однако миссия InSight оказалась очень успешной, предоставив нам много новых данных и идей, которые будут анализироваться в ближайшие годы», — говорит Хан.

Для получения дополнительной информации об этом исследовании см. спускаемый аппарат НАСА InSight раскрывает тайну расплавленного Марса.

Использованная литература:

«Доказательства наличия слоя жидкого силиката над ядром Марса», А. Хан, Д. Хуанг, К. Дуран, П. А. Сосси, Д. Джардини и М. Мураками, 25 октября 2023 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-023-06586-4

«Геофизические доказательства наличия богатого слоя расплавленного силиката над ядром Марса» Генри Сэмюэля, Мелани Дрилио, Аттилио Ривольдини, Чжунбо Сюй, Цюаньцин Хуанг, Рафаэль Ф. Гарсиа, Ведран Лекич, Джессика К. Э. Ирвинг, Джеймс Падро, Филип Х. Люньонье , Джеймс Коннолли, Тайчи Кавамура, Тамара Гудкова и Уильям Б. Баннерд, 25 октября 2023 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-023-06601-8

Миссия НАСА Mars Insight

лаборатория реактивного движения (Лаборатория реактивного движения) управлял InSight для Управления научных миссий НАСА. InSight является частью программы НАСА Discovery, которой управляет Центр космических полетов им. Маршалла. Lockheed Martin Space построила космический корабль InSight, включая круизную платформу и спускаемый аппарат, а также поддержала эксплуатацию космических кораблей для этой миссии.

Ряд европейских партнеров, в том числе Французский национальный центр космических исследований (CNES) и Немецкий аэрокосмический центр (DLR), поддерживают миссию InSight. Французский национальный центр космических исследований представил НАСА прибор для сейсмического эксперимента по изучению внутренней структуры (SEIS) совместно с главным исследователем из IPGP (Институт общей физики в Париже). Значительный вклад в SEIS внес IPGP; Институт Макса Планка по исследованию Солнечной системы (MPS) в Германии; Швейцарский федеральный технологический институт (ETH Zurich) в Швейцарии; Имперский колледж Лондон Оксфордский университет в Великобритании; И Лаборатория реактивного движения. Службу Marsquake возглавляет ETH Zurich при значительном вкладе IPGP; тот Бристольский университет; Имперский колледж; ISAE (Высший институт авиации и космонавтики); МПС. И Лаборатория реактивного движения. Прибор «Пакет теплового потока и физических свойств» (HP3) был предоставлен компанией DLR при активном участии Центра космических исследований (CBK) Польской академии наук и компании Astronica в Польше. Датчики температуры и ветра предоставил Испанский центр астробиологии (CAB).