คลื่นแผ่นดินไหวเผยให้เห็นความซับซ้อนในเปลือกโลกของดาวอังคาร - โลกฟิสิกส์

คลื่นแผ่นดินไหวเผยให้เห็นความซับซ้อนในเปลือกโลกของดาวอังคาร - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 14 พฤศจิกายน 2023 4:54 น

การศึกษาแผ่นดินไหวบนดาวอังคาร
ภายในที่ซับซ้อน: ภาพประกอบแสดงชั้นแมนเทิลของดาวอังคารที่แตกต่างกันสองชั้นระหว่างแกนกลางและเปลือกโลก นอกจากนี้ ยังแสดงให้เห็นด้วยว่าชั้นต่างๆ ส่งผลต่อคลื่นแผ่นดินไหวที่ InSight ตรวจพบได้อย่างไร (เอื้อเฟื้อโดย: IPGP-CNES)

เนื้อโลกของดาวอังคารแบ่งออกเป็นชั้นนอกที่หลอมละลายบางส่วนและชั้นที่อุดมด้วยซิลิคอนที่หลอมละลายอย่างสมบูรณ์ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับแกนกลางของดาวเคราะห์มากขึ้น การค้นพบนี้จัดทำโดยทีมอิสระสองทีมและท้าทายมุมมองเดิมที่ว่าเนื้อโลกซึ่งอยู่ระหว่างเปลือกโลกและแกนกลางของดาวอังคาร มีองค์ประกอบและโครงสร้างที่เหมือนกัน การวิเคราะห์ใหม่ใช้ข้อมูลแผ่นดินไหวจาก NASA InSight ดาวอังคารลงจอดและอาจช่วยสร้างความเข้าใจของเราว่าดาวเคราะห์สีแดงก่อตัวและวิวัฒนาการได้อย่างไร

คลื่นแผ่นดินไหวบางส่วนที่ศึกษาถูกสร้างขึ้นโดยอุกกาบาตที่พุ่งชนโลก คลื่นจะเดินทางลึกเข้าไปในดาวอังคารก่อนที่จะถึงเครื่องวัดแผ่นดินไหวของ InSight และการศึกษาคลื่นเหล่านี้ให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับการตกแต่งภายในของดาวอังคาร

“ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางขนาดใหญ่เช่นนี้ทำให้เกิดการแพร่กระจายของคลื่นอัดที่เคลื่อนตัวไปในเนื้อโลกของดาวอังคารตอนล่างสุดในลักษณะเป็นคลื่นที่เลี้ยวเบน” อธิบาย อองรี ซามูเอล ที่ CNRS ในปารีส ซึ่งเป็นหัวหน้าโครงการวิจัยแห่งหนึ่ง “พบว่าการแพร่กระจายของคลื่นเหล่านี้ช้าเกินกว่าจะอธิบายได้ด้วยเนื้อโลกที่เป็นเนื้อเดียวกัน”

ความอุดมสมบูรณ์อันน่าประหลาดใจ

การวิจัยยังได้ให้เบาะแสเพิ่มเติมเกี่ยวกับองค์ประกอบองค์ประกอบของแกนกลางดาวอังคาร ก่อนหน้านี้ มีการคำนวณว่ามีธาตุที่เบากว่าอยู่เป็นจำนวนมากอย่างน่าประหลาดใจ รวมถึงคาร์บอน ออกซิเจน และไฮโดรเจน อย่างไรก็ตาม การศึกษาล่าสุดเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าองค์ประกอบที่เบากว่าเหล่านี้ไม่ธรรมดาอย่างที่คาดการณ์ไว้ และแกนกลางก็เล็กกว่าและหนาแน่นกว่าที่เคยคิดไว้

การศึกษาอื่นนำโดย อาเมียร์ข่าน ที่ ETH ซูริก ผู้อธิบายว่า "ความต้องการส่วนเสริมจำนวนมากขององค์ประกอบ [ที่เบากว่า] เหล่านี้ก่อให้เกิดปัญหาคอสโมเคมีร้ายแรง เนื่องจากเป็นเรื่องยากที่จะจินตนาการว่าดาวอังคารจะเพิ่มองค์ประกอบแสงในสัดส่วนขนาดใหญ่เช่นนี้ได้อย่างไร และแยกพวกมันออกเป็นแกนกลางของมัน ".

ในการศึกษาที่เกี่ยวข้อง ทีมงานของซามูเอลและข่านได้ทำการผกผันข้อมูลแผ่นดินไหวของ InSight ซึ่งเป็นเทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่แปลงข้อมูลให้เป็นแบบจำลองใต้พื้นผิวของการตกแต่งภายในของดาวเคราะห์

หลังจากนั้น แต่ละทีมใช้แนวทางที่แตกต่างกันเล็กน้อยในการตีความการผกผันของตน สำหรับ Khan และเพื่อนร่วมงาน สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการสร้างการคำนวณจากหลักการแรกๆ “เราคำนวณความเร็วคลื่นแผ่นดินไหวและความหนาแน่นของโลหะผสมธาตุเหล็ก-นิกเกิลโดยใช้กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นเรื่องแปลกใหม่สำหรับเงื่อนไขที่เทียบเท่ากับแกนกลางของดาวอังคาร” ข่านอธิบาย

โครงสร้างลดทอน

ทีมงานของซามูเอลไม่ได้คำนึงถึงความหนาแน่น องค์ประกอบ และความเร็วของแผ่นดินไหว และดูว่าโครงสร้างภายในของดาวอังคารลดทอนคลื่นแผ่นดินไหวได้อย่างไร “จากนี้ เราสามารถอนุมานแบบจำลองโครงสร้างการลดทอนแรกของเนื้อโลกของดาวอังคารโดยอาศัยข้อมูลแผ่นดินไหวและธรณีฟิสิกส์อื่นๆ” เขาอธิบาย

แม้จะมีวิธีการที่แตกต่างกัน ทั้งสองทีมก็ได้ข้อสรุปที่น่าประหลาดใจ “ดาวอังคารต่างจากโลกตรงที่ดาวอังคารมีชั้นเนื้อโลกที่แบ่งชั้นอย่างแน่นหนาโดยมีชั้นซิลิเกตเสริมสมรรถนะอยู่เหนือแกนกลาง” ซามูเอลกล่าว “ส่วนล่างของชั้นหลอมละลายจนหมด ในขณะที่ส่วนบนที่บางกว่าจะหลอมเหลวบางส่วน”

Khan อธิบายว่าทีมของเขาได้ข้อสรุปที่คล้ายกันมาก “องค์ประกอบของชั้นหลอมเหลวในการคำนวณของเรานั้นใกล้เคียงกับองค์ประกอบของชั้นซิลิเกตมาก ซึ่งช่วยอธิบายการค้นพบชั้นซิลิเกตที่มีความหนาแน่นกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับชั้นแมนเทิล ความจริงที่ว่าซิลิเกตมีความหนาแน่นมากกว่าเล็กน้อยยังอธิบายได้ว่าทำไมชั้นจึงยังคงมีเสถียรภาพที่ด้านล่างของเนื้อโลก”

แม้จะมีผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน แต่แนวทางที่แตกต่างกันของทีมทำให้พวกเขาสามารถสำรวจความหมายที่แตกต่างกันของการค้นพบของพวกเขาได้ สำหรับทีมของซามูเอล การเปิดเผยโครงสร้างของชั้นโลกในแง่ของการลดทอนทำให้พวกเขาอธิบายเส้นทางการโคจรของโฟบอส ซึ่งเป็นดวงจันทร์ที่ใกล้ที่สุดของดาวอังคารได้ดีขึ้น

สนามแรงโน้มถ่วง

ทีมงานกล่าวว่าชั้นซิลิกอนหลอมเหลวสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ง่ายกว่าภายใต้แรงน้ำขึ้นน้ำลงของดวงจันทร์ มากกว่าชั้นที่เย็นกว่าและหลอมเหลวบางส่วนด้านบน สิ่งนี้น่าจะอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามโน้มถ่วงของดาวอังคารกับวงโคจรของโฟบอสได้ดีกว่า ขณะเดียวกันก็ยังคงสอดคล้องกับการวัดของอินไซท์

จากการตรวจสอบแกนกลางดาวอังคารของพวกเขาเอง ทีมของข่านคำนวณได้ว่ามวลประมาณ 9-15% ประกอบด้วยองค์ประกอบแสง ในแง่ของแบบจำลองว่าดาวอังคารก่อตัวอย่างไร ปริมาณที่ต่ำกว่านี้ดูสมเหตุสมผลกว่าการประมาณการที่มากกว่า 20% ในการศึกษาก่อนหน้านี้โดยอิงตามสมมติฐานของเนื้อโลกที่เป็นเนื้อเดียวกัน

สำหรับทั้งสองทีม การค้นพบนี้ถือเป็นจุดเปลี่ยนในความเข้าใจของเราว่าดาวอังคารก่อตัวและพัฒนาอย่างไรในช่วง 4.5 พันล้านปีที่ผ่านมา “ด้วยการมีอยู่ของการแบ่งชั้นในเนื้อโลกของดาวอังคาร เราต้องกลับไปวิเคราะห์ใหม่และตีความบันทึกแผ่นดินไหวประมาณสี่ปีและธรณีฟิสิกส์อื่นๆ ทั้งหมดที่สังเกตได้ทั้งหมดในแง่ของกระบวนทัศน์ใหม่นี้” ซามูเอลกล่าว “นี่อาจนำไปสู่การค้นพบเพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างลึกของเนื้อโลกและแกนกลางของดาวอังคาร”

นอกเหนือจากการปรับปรุงความรู้เกี่ยวกับดาวอังคารแล้ว ผลลัพธ์ยังช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจดาวเคราะห์หินที่อยู่นอกระบบสุริยะได้ดีขึ้นอีกด้วย “ด้วยการได้มาซึ่งข้อมูลใหม่และวิธีการวิเคราะห์ใหม่ๆ ทำให้เราค้นพบสิ่งใหม่ๆ และปรับปรุงและปรับปรุงความเข้าใจในปัจจุบันของเราว่าดาวเคราะห์บนพื้นโลกประกอบด้วยอะไร” ข่านกล่าวเสริม “ท้ายที่สุดแล้ว สิ่งนี้จำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของระบบดาวเคราะห์นอกระบบ”

ทั้งสองทีมรายงานผลการเรียนใน ธรรมชาติ. กระดาษซามูเอลอยู่ที่นี่ และ กระดาษข่านอยู่นี่.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์