Fale sejsmiczne ujawniają złożoność płaszcza Marsa – Świat Fizyki

Fale sejsmiczne ujawniają złożoność płaszcza Marsa – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 14 listopada 2023 4:54

Badania sejsmiczne Marsa
Złożone wnętrze: ilustracja przedstawiająca dwie różne warstwy płaszcza Marsa pomiędzy jądrem a skorupą. Pokazano także, jak warstwy wpływają na fale sejsmiczne wykrywane przez InSight. (Dzięki uprzejmości: IPGP-CNES)

Płaszcz Marsa jest podzielony na częściowo stopioną warstwę zewnętrzną i całkowicie stopioną warstwę bogatą w krzem, która leży bliżej jądra planety. Odkrycia tego dokonały dwa niezależne zespoły i podważa wcześniejszy pogląd, że płaszcz – leżący pomiędzy skorupą Marsa a jądrem – ma jednolity skład i strukturę. W nowych analizach wykorzystano dane sejsmiczne z NASA InSight Lądownik marsjański i może pomóc ukształtować naszą wiedzę na temat powstawania i ewolucji czerwonej planety.

Niektóre z badanych fal sejsmicznych powstały w wyniku uderzenia meteorytów w planetę. Fale przepłyną głęboko w Marsie, zanim dotrą do sejsmometru InSight, a ich badanie dostarcza ważnych informacji o wnętrzu Marsa.

„Tak duże odległości epicentralne umożliwiły propagację fal kompresji, które przemieszczały się w najniższym płaszczu Marsa w postaci fali ugiętej” – wyjaśnia Henryk Samuel w CNRS w Paryżu, który kierował jednym z badań. „Odkryto, że propagacja tych fal jest zbyt wolna, aby można ją było wytłumaczyć jednorodnym płaszczem”.

Zaskakująca obfitość

Badania dostarczyły także dalszych wskazówek na temat składu pierwiastkowego jądra Marsa. Wcześniej obliczono, że zawiera on zaskakująco dużą ilość lżejszych pierwiastków, w tym węgla, tlenu i wodoru. Jednak najnowsze badania sugerują, że te lżejsze pierwiastki nie są tak powszechne, jak przewidywano, a rdzeń jest mniejszy i gęstszy, niż wcześniej sądzono.

Drugie badanie prowadził Amir Khan w ETH Zurich, który wyjaśnia: „Ta potrzeba dużego uzupełnienia tych [lżejszych] pierwiastków stwarzała poważne problemy kosmochemiczne, ponieważ trudno sobie wyobrazić, w jaki sposób Mars mógłby akreować tak dużą część lekkich pierwiastków i zamaskować je w swoim jądrze ”.

W swoich badaniach zespoły Samuela i Khana przeprowadziły inwersję danych sejsmicznych InSight – jest to technika matematyczna, która przekształca informacje w podpowierzchniowe modele wnętrza planety.

Następnie każdy zespół przyjął nieco inne podejście do interpretacji swoich inwersji. W przypadku Khana i współpracowników wiązało się to z opracowywaniem obliczeń w oparciu o podstawowe zasady. „Obliczyliśmy prędkości fal sejsmicznych i gęstość lekkich stopów pierwiastków żelazo-nikiel, korzystając z mechaniki kwantowej, co jest całkowicie nowatorskie w przypadku warunków odpowiadających jądru Marsa” – wyjaśnia Khan.

Struktury tłumiące

Zespół Samuela wyszedł poza rozważania dotyczące gęstości, składu i prędkości sejsmicznej i przyjrzał się, w jaki sposób wewnętrzna struktura Marsa tłumi fale sejsmiczne. „Na tej podstawie mogliśmy wywnioskować pierwszy model struktury tłumienia płaszcza Marsa w oparciu o dane sejsmologiczne i inne dane geofizyczne” – wyjaśnia.

Jednak nawet stosując te różne metody, oba zespoły doszły do ​​zaskakujących wniosków. „W przeciwieństwie do Ziemi, Mars wydaje się mieć silnie uwarstwiony płaszcz ze wzbogaconą warstwą krzemianów nad jądrem” – mówi Samuel. „Dolna część warstwy jest całkowicie stopiona, podczas gdy cieńsza górna część jest częściowo stopiona”.

Khan wyjaśnia, że ​​jego zespół doszedł do bardzo podobnego wniosku. „Skład stopionej warstwy w naszych obliczeniach jest bardzo zbliżony do składu płaszcza krzemianowego, co pomaga wyjaśnić nasze odkrycie nieco gęstszej warstwy krzemianu w stosunku do płaszcza. Fakt, że krzemian okazał się nieco gęstszy, wyjaśnia również, dlaczego warstwa pozostaje stabilna na dnie płaszcza.

Pomimo podobieństw w wynikach różne podejścia zespołów pozwoliły im zbadać różne konsekwencje ich odkrycia. Zespołowi Samuela ujawnienie struktury płaszcza pod względem tłumienia pozwoliło lepiej wyjaśnić ścieżkę orbitalną najbliższego księżyca Marsa, Fobosa.

Pole grawitacyjne

Według zespołu warstwa stopionego krzemu może odkształcać się łatwiej pod wpływem sił pływowych Księżyca niż zimniejsza, częściowo stopiona warstwa powyżej. To lepiej wyjaśniałoby związek między polem grawitacyjnym Marsa a orbitą Fobosa, pozostając jednocześnie zgodne z pomiarami InSight.

Na podstawie własnych badań jądra Marsa zespół Khana obliczył, że około 9–15% jego masy stanowią lekkie pierwiastki. Jeśli chodzi o modele powstawania Marsa, ta mniejsza liczebność wydaje się bardziej rozsądna niż szacunki na ponad 20% dokonane w poprzednich badaniach opartych na założeniu jednorodnego płaszcza.

Dla obu zespołów odkrycie stanowi punkt zwrotny w naszej wiedzy o tym, jak Mars powstał i ewoluował w ciągu ostatnich 4.5 miliarda lat. „W związku z obecnością stratyfikacji w płaszczu Marsa musimy wrócić do ponownej analizy i ponownej interpretacji zapisu sejsmicznego trwającego mniej więcej cztery lata oraz wszystkich innych obserwacji geofizycznych w świetle tego nowego paradygmatu” – mówi Samuel. „Może to prowadzić do dodatkowych odkryć dotyczących głębokiej struktury marsjańskiego płaszcza i jego jądra”.

Wynik ten może nie tylko poszerzyć naszą wiedzę o Marsie, ale także pomóc astronomom w lepszym zrozumieniu planet skalistych poza Układem Słonecznym. „Dzięki zdobywaniu nowych danych i nowym metodom analizy dokonujemy nowych odkryć oraz stale udoskonalamy i aktualizujemy naszą obecną wiedzę na temat tego, z czego zbudowane są planety ziemskie” – dodaje Khan. „Ostatecznie będzie to potrzebne do zrozumienia pochodzenia i ewolucji pozasłonecznych układów planetarnych”.

Obie drużyny zgłaszają swoje badania w Natura, Artykuł Samuela jest tutaj oraz Artykuł Khana tutaj.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki