Ученые составили детальную модель внутренней структуры Марса

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.

Источник: NASA

На этой иллюстрации показан космический корабль NASA InSight с приборами, установленными на поверхности 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.

Источник: NASA

Художественная концепция посадочного модуля NASA InSight на Марсе, слои подповерхности планеты можно увидеть ниже, а на заднем плане можно увидеть пылевые бури. 

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.