До миссии NASA InSight внутренняя структура Марса была плохо изучена. Модели основывались только на данных, собранных с орбитальных спутников, и на анализе марсианских метеоритов, упавших на Землю. Только на основе гравиметрических и топографических данных мощность земной коры оценивалась глубины от 30 до 100 км. Значения момента инерции и плотности планеты предполагают, что ядро имеет радиус от 1400 до 2000 км. Однако подробное внутреннее строение Марса и глубина границ между корой, мантией и ядром были полностью неизвестны.
Используя информацию, полученную в результате около дюжины землетрясений, обнаруженных на Марсе сейсмометром с очень широким диапазоном частот SEIS, разработанным во Франции, международная группа миссии NASA InSight раскрыла внутреннюю структуру Марса. Три статьи, опубликованные в журнале Scienceс участием многочисленных соавторов из французских институтов и лабораторий, включая CNRS, Institut de Physique du Globe de Paris и Université de Paris, при поддержке, в частности, французского космического агентства CNES и Французского национального исследовательского агентства ANR, заявляют: впервые была сделана оценка размера ядра планеты, толщины ее коры и структуры мантии на основе анализа сейсмических волн, отраженных и измененных границами раздела в ее недрах. Это делает это первое в истории сейсмическое исследование внутренней структуры планеты земного типа, отличной от Земли, и важным шагом на пути к пониманию формирования и тепловой эволюции Марса.
После успешного развертывания эксперимента SEIS на поверхности Марса в начале 2019 года ученые миссии, в том числе 18 французских соавторов, участвовавших и связанных с широким кругом французских институтов и лабораторий, вместе со своими коллегами из ETH в Цюрихе, Кельнский университет и Лаборатория реактивного движения в Пасадене собрали и проанализировали сейсмические данные за один марсианский год (почти два земных года).
Следует отметить, что для одновременного определения структурной модели, времени (прибытия) землетрясения и расстояния до него обычно требуется более одной станции. Однако на Марсе у ученых есть только одна станция — InSight. Поэтому было необходимо искать в сейсмических записях характерные особенности волн, которые по-разному взаимодействовали с внутренними структурами Марса, а также идентифицировать и подтверждать их. Эти новые измерения в сочетании с минералогическим и термическим моделированием внутренней структуры планеты позволили преодолеть ограничение, связанное с наличием единственной станции. Этот метод открывает новую эру планетарной сейсмологии.
Одна станция, несколько выводов
Еще одна сложность на Марсе — его низкая сейсмичность и сейсмический шум, создаваемый его атмосферой. На Земле землетрясения намного сильнее, а сейсмометры более эффективно размещаются в хранилищах или под землей, что позволяет получить точное изображение внутренней части планеты. В результате данным пришлось уделить особое внимание.
Каждый день данные, обрабатываемые CNES, IPGP и CNRS и передаваемые ученым, тщательно очищались от окружающего шума (ветра и деформации, связанной с быстрыми изменениями температуры). Международная команда Mars Quake Service (MQS) ежедневно регистрировала сейсмические события: в настоящее время каталогизировано более 600, из которых более 60 были вызваны относительно удаленными землетрясениями.
Сравнивая поведение сейсмических волн, когда они проходили через земную кору, прежде чем достичь станции InSight, было идентифицировано несколько разрывов в земной коре: первый, наблюдаемый на глубине около 10 км, отмечает границу между сильно измененной структурой, возникшей в результате циркуляция жидкости давным-давно, а корка изменилась лишь незначительно. Второй разрыв сложности на глубине около 20 км и третий, менее выраженный, на высоте около 35 км, пролили свет на стратификацию коры под InSight.
В мантии ученые проанализировали разницу между временем прохождения волн, возникших непосредственно во время землетрясения, и волн, возникающих при отражении этих прямых волн от поверхности. Эти различия позволили, используя только одну станцию, определить структуру верхней мантии и, в частности, изменение сейсмических скоростей с глубиной. Однако такие изменения скорости связаны с температурой.
Наконец, в третьем исследовании ученые искали волны, отраженные от поверхности ядра Марса, измерение радиуса которого было одним из главных достижений миссии InSight. Несмотря на низкие амплитуды сигналов, связанных с отраженными волнами (известных как волны ScS), избыток энергии наблюдался для ядер с радиусом от 1790 км до 1870 км. Такой большой размер подразумевает присутствие легких элементов в жидком ядре и имеет серьезные последствия для минералогии мантии на границе раздела мантия/ядро.
Это грандиозное открытие, но оно порождает куда больше вопросов, чем было ранее. Насколько однородна мантия? Какова толщина коры в разных местах и нет ли смещения ядра внутри планеты? Возможно, вскоре и на эти вопросы найдется ответ.
