Seismiske bølger afslører kompleksiteten i Mars' kappe – Physics World

Seismiske bølger afslører kompleksiteten i Mars' kappe – Physics World

Tidsstempel: 14. november 2023 kl. 4:54

Mars seismisk undersøgelse
Kompleks interiør: illustration, der viser de to forskellige lag af Mars-kappen mellem kernen og skorpen. Det er også vist, hvordan lagene påvirker seismiske bølger detekteret af InSight. (Med høflighed: IPGP-CNES)

Mars' kappe er opdelt i et delvist smeltet ydre lag og et fuldt smeltet, siliciumrigt lag, der ligger tættere på planetens kerne. Denne opdagelse blev gjort af to uafhængige teams og udfordrer den tidligere opfattelse af, at kappen – som ligger mellem Mars skorpe og kerne – har en ensartet sammensætning og struktur. De nye analyser brugte seismiske data fra NASA's InSight Mars lander og kunne være med til at forme vores forståelse af, hvordan den røde planet dannedes og udviklede sig.

Nogle af de seismiske bølger, der blev undersøgt, blev skabt af meteoritter, der ramte planeten. Bølgerne vil have rejst dybt inde i Mars, før de nåede InSights seismometer, og at studere dem giver vigtige oplysninger om Mars indre.

"Så store epicentrale afstande muliggjorde udbredelsen af ​​kompressionsbølger, der rejste i den nederste Mars-kappe som en diffrakteret bølge," forklarer Henri Samuel på CNRS i Paris, som stod i spidsen for et af studierne. "Det blev fundet, at udbredelsen af ​​disse bølger var for langsom til at kunne forklares med en homogen kappe."

Overraskende overflod

Forskningen har også givet yderligere fingerpeg om grundstofsammensætningen af ​​Mars-kernen. Tidligere var dette blevet beregnet til at indeholde en overraskende høj overflod af lettere grundstoffer, herunder kulstof, ilt og brint. Disse seneste undersøgelser tyder dog på, at disse lettere grundstoffer ikke er så almindelige som forudsagt, og kernen er mindre og tættere end tidligere antaget.

Den anden undersøgelse blev ledet af Amir Khan ved ETH Zürich, som forklarer: "Dette behov for et stort supplement af disse [lettere] grundstoffer udgjorde alvorlige kosmokemiske problemer, da det er svært at forestille sig, hvordan Mars ville have ophobet så stor en andel af lette elementer og sekvestreret dem i sin kerne. ”.

I deres respektive undersøgelser udførte Samuel og Khans teams begge inversioner af InSights seismiske data – en matematisk teknik, der transformerer informationen til underjordiske modeller af et planetarisk indre.

Bagefter tog hvert hold en lidt forskellig tilgang til at fortolke deres inversioner. For Khan og kolleger indebar det at bygge deres beregninger op fra første principper. "Vi beregnede de seismiske bølgehastigheder og tæthed af jern-nikkel-letelementlegeringer ved hjælp af kvantemekanik, hvilket er helt nyt for de forhold, der svarer til Mars' kerne," forklarer Khan.

Dæmpende strukturer

Samuels team gik ud over overvejelser om tæthed, sammensætning og seismisk hastighed og så på, hvordan den indre struktur af Mars dæmpede seismiske bølger. "Ud fra dette var vi i stand til at udlede den første dæmpningsstrukturmodel af Mars' kappe baseret på seismologiske og andre geofysiske data," forklarer han.

Men selv med disse forskellige metoder kom begge hold til en overraskende konklusion. "I modsætning til Jorden ser Mars ud til at have en stærkt lagdelt kappe med dette berigede silikatlag over sin kerne," siger Samuel. "Den nederste del af laget er fuldt smeltet, mens den tyndere øvre del er delvist smeltet."

Khan forklarer, at hans team nåede frem til en meget lignende konklusion. ”Sammensætningen af ​​det smeltede lag i vores beregninger er meget tæt på silikatkappens, hvilket er med til at forklare vores fund af et lidt tættere silikatlag i forhold til kappen. Det faktum, at silikatet viser sig at være lidt tættere, forklarer også, hvorfor laget forbliver stabilt i bunden af ​​kappen."

På trods af lighederne i deres resultater tillod holdenes forskellige tilgange dem at udforske forskellige implikationer af deres opdagelse. For Samuels hold gav afsløringen af ​​kappens struktur i form af dæmpning dem mulighed for bedre at forklare kredsløbsbanen for Mars' nærmeste måne, Phobos.

Tyngdefelt

Ifølge holdet kunne et smeltet siliciumlag lettere deformeres under månens tidevandskræfter end det koldere, delvist smeltede lag ovenover. Dette ville bedre forklare forholdet mellem Mars' gravitationsfelt og Phobos' kredsløb, mens det forbliver i overensstemmelse med InSights målinger.

Gennem deres egen undersøgelse af Mars' kerne beregnede Khans hold, at omkring 9-15% af dens masse består af lette elementer. Med hensyn til modeller af, hvordan Mars blev dannet, virker denne lavere overflod mere rimelig end estimaterne på over 20% lavet i tidligere undersøgelser baseret på antagelsen om en homogen kappe.

For begge hold markerer opdagelsen et vendepunkt i vores forståelse af, hvordan Mars først blev dannet og udviklet sig i løbet af de sidste 4.5 milliarder år. "Med tilstedeværelsen af ​​lagdelingen i Mars-kappen er vi nødt til at gå tilbage for at genanalysere og genfortolke den omkring fire år lange seismiske rekord og alle andre geofysiske observerbare i lyset af dette nye paradigme," siger Samuel. "Dette kan føre til yderligere opdagelser om den dybe struktur af Mars-kappen og dens kerne."

Udover at forbedre vores viden om Mars, kan resultatet også hjælpe astronomer til at få en bedre forståelse af klippeplaneter uden for solsystemet. "Gennem erhvervelse af nye data og nye analysemetoder gør vi nye opdagelser og fortsætter med at forfine og opdatere vores nuværende forståelse af, hvad de jordiske planeter er lavet af," tilføjer Khan. "I sidste ende vil dette være nødvendigt for at forstå oprindelsen og udviklingen af ​​ekstrasolare planetsystemer."

Begge hold rapporterer deres studier i Natur. Det Samuel papir er her og Khan papir her.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden