Seismiska vågor avslöjar komplexiteten i Mars mantel – Physics World

Seismiska vågor avslöjar komplexiteten i Mars mantel – Physics World

Tidsstämpel: 14 november 2023 4:54

Mars seismisk studie
Komplex interiör: illustration som visar de två olika lagren av marsmanteln mellan kärnan och skorpan. Det visas också hur lagren påverkar seismiska vågor som detekteras av InSight. (Med tillstånd: IPGP-CNES)

Mars mantel är uppdelad i ett delvis smält yttre skikt och ett helt smält, kiselrikt skikt som ligger närmare planetens kärna. Denna upptäckt gjordes av två oberoende team och utmanar den tidigare uppfattningen att manteln – som ligger mellan marsskorpan och kärnan – har en enhetlig sammansättning och struktur. De nya analyserna använde seismisk data från NASA InSight Mars lander och kan hjälpa till att forma vår förståelse av hur den röda planeten bildades och utvecklades.

Några av de seismiska vågorna som studerades skapades av meteoriter som träffade planeten. Vågorna kommer att ha färdats djupt inom Mars innan de nådde InSights seismometer, och att studera dem ger viktig information om Mars inre.

"Så stora epicentrala avstånd möjliggjorde utbredning av kompressionsvågor som färdades i den nedersta marsmanteln som en diffrakterad våg," förklarar Henri Samuel vid CNRS i Paris, som ledde en av studierna. "Det visade sig att utbredningen av dessa vågor var för långsam för att kunna förklaras av en homogen mantel."

Överraskande överflöd

Forskningen har också gett ytterligare ledtrådar om den elementära sammansättningen av Mars kärna. Tidigare hade detta beräknats innehålla ett förvånansvärt stort överflöd av lättare grundämnen, inklusive kol, syre och väte. Dessa senaste studier tyder dock på att dessa lättare grundämnen inte är så vanliga som man hade förutsagt och kärnan är mindre och tätare än man tidigare trott.

Den andra studien leddes av Amir Khan vid ETH Zürich, som förklarar, "Detta behov av ett stort komplement av dessa [lättare] grundämnen utgjorde allvarliga kosmokemiska problem, eftersom det är svårt att föreställa sig hur Mars skulle ha samlat en så stor andel lätta grundämnen, och sekvestrerat dem i sin kärna ”.

I sina respektive studier utförde Samuel och Khans team båda inversioner av InSights seismiska data – en matematisk teknik som omvandlar informationen till underjordiska modeller av ett planetariskt inre.

Efteråt tog varje lag ett lite olika sätt att tolka sina inversioner. För Khan och kollegor innebar detta att bygga upp sina beräkningar från första principer. "Vi beräknade de seismiska våghastigheterna och densiteten för lätta elementlegeringar av järn och nickel med hjälp av kvantmekanik, vilket är helt nytt för förhållanden som motsvarar Mars kärna," förklarar Khan.

Dämpande strukturer

Samuels team gick bortom hänsyn till densitet, sammansättning och seismisk hastighet och tittade på hur Mars inre struktur dämpade seismiska vågor. "Ur detta kunde vi sluta oss till den första dämpningsstrukturmodellen av Mars mantel baserat på seismologiska och andra geofysiska data," förklarar han.

Men även med dessa olika metoder kom båda lagen till en överraskande slutsats. "Till skillnad från jorden verkar Mars ha en starkt skiktad mantel med detta berikade silikatskikt ovanför dess kärna", säger Samuel. "Den nedre delen av lagret är helt smält, medan den tunnare övre delen är delvis smält."

Khan förklarar att hans team nådde en mycket liknande slutsats. – Sammansättningen av det smälta skiktet i våra beräkningar är mycket nära silikatmantelns, vilket hjälper till att förklara vårt fynd av ett något tätare silikatskikt i förhållande till manteln. Det faktum att silikatet visar sig vara något tätare förklarar också varför lagret förblir stabilt i botten av manteln.”

Trots likheterna i deras resultat tillät teamens olika tillvägagångssätt dem att utforska olika implikationer av deras upptäckt. För Samuels team, avslöjade mantelns struktur i form av dämpning, gjorde det möjligt för dem att bättre förklara omloppsbanan för Mars närmaste måne, Phobos.

Gravitations fält

Enligt teamet kan ett smält kisellager deformeras lättare under månens tidvattenkrafter än det kallare, delvis smälta lagret ovanför. Detta skulle bättre förklara förhållandet mellan Mars gravitationsfält och Phobos bana, samtidigt som det förblir konsekvent med InSights mätningar.

Genom sin egen undersökning av Mars kärna beräknade Khans team att cirka 9–15 % av dess massa består av lätta element. När det gäller modeller av hur Mars bildades, verkar detta lägre förekomst mer rimligt än de uppskattningar på över 20 % som gjorts i tidigare studier baserade på antagandet om en homogen mantel.

För båda teamen markerar upptäckten en vändpunkt i vår förståelse av hur Mars först bildades och utvecklades under de senaste 4.5 miljarder åren. "Med närvaron av skiktningen i Mars-manteln måste vi gå tillbaka för att analysera och omtolka den ungefär fyra år långa seismiska rekorden och alla andra geofysiska observerbara objekt i ljuset av detta nya paradigm," säger Samuel. "Detta kan leda till ytterligare upptäckter om Marsmantelns djupa struktur och dess kärna."

Förutom att förbättra vår kunskap om Mars, kan resultatet också hjälpa astronomer att få en bättre förståelse för steniga planeter bortom solsystemet. "Genom inhämtning av ny data och nya analysmetoder gör vi nya upptäckter och fortsätter att förfina och uppdatera vår nuvarande förståelse av vad de jordiska planeterna är gjorda av," tillägger Khan. "I slutändan kommer detta att behövas för att förstå ursprunget och utvecklingen av extrasolära planetsystem."

Båda teamen rapporterar sina studier i Natur. De Samuels papper är här och Khan papper här.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden