Перше в історії сейсмічне дослідження Марса дозволило вивчити його внутрішню будову.
Використовуючи дані, отримані в результаті реєстрації сейсмометром SEIS, розробленим у Франції, більше десяти землетрусів на Марсі, міжнародна група дослідників місії NASA InSight зуміла отримати багато нової інформації про структуру планети. Одразу три статті [1, 2, 3], опубліковані 23 липня 2021 року в журналі Science, вперше дають оцінку розміру ядра планети, товщини її кори і структури мантії на основі аналізу відображених і модифікованих сейсмічних хвиль.
До цього про внутрішню структуру Марса було відомо небагато. Будова Землі багато в чому була вивчена завдяки сейсмології - вивченню проходження упругих хвиль, що виникають при землетрусах і вибухах, крізь земні породи. На Марсі до місії NASA InSight такої можливості не було. Моделі ґрунтувалися тільки на аналізі супутникових гравіметричних і топографічних даних, значень моменту інерції і щільності планети. Виходячи з цього, товщина земної кори оцінювалася від 30 до 100 км, а радіус ядра від 1 400 до 2 000 км. Однак детальна внутрішня будова Марса і глибина кордонів між корою, мантією і ядром були абсолютно невідомі.
Після успішного розгортання експерименту SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure - Сейсмічний експеримент для внутрішньої структури) на поверхні Марса на початку 2019 року ситуація змінилася. З цього моменту дослідникам вдалося зібрати і проаналізувати сейсмічні дані за один марсіанський рік (майже два земних роки).
Слід зазначити, що для сейсмічних досліджень зазвичай потрібно більше однієї станції. Вони потрібні для того, щоб запеленгувати місце розташування джерела хвиль, а потім визначити відстань до нього. Однак на Марсі у планетологів є тільки одна станція. Тому їм було необхідно відшукати в сейсмічних записах характерні особливості хвиль, які по-різному взаємодіяли з внутрішніми структурами Марса. Ці хвилі аналогічні звукам голосів у горах, які виробляють відлуння. Саме відображене від ядра, або на межі кора-мантія, або навіть від поверхні Марса, вчені і шукали в сигналі за його схожістю з прямими хвилями. Ці вимірювання в поєднанні з мінералогічним і тепловим моделюванням внутрішньої структури планети дозволили вести дослідження навіть з єдиною станцією. Розроблений метод відкриває нову еру в планетарній сейсмології.
Ще одна трудність на Марсі - мала кількість і слабкість його землетрусів, магнітуда менше 3,5. На Землі землетруси відбуваються частіше і вони набагато сильніші (за рік відбувається понад 100 землетрусів з магнітудою понад 6,0). При цьому вимірюванням заважає сейсмічний шум, створюваний вітрами на Марсі і деформаціями порід при швидких змінах температури. Отже, отримувані дані доводилося ретельно очищати від подібних перешкод. Тим не менш, дуже висока чутливість датчика в поєднанні з дуже низьким рівнем шуму в сутінках дозволила дослідникам зробити відкриття, які, як вважалося раніше, були можливі тільки при землетрусах з магнітудою більше 4.
Міжнародна команда щодня реєструвала сейсмічні події, яких до теперішнього часу набралося понад 600, з них понад 60 були викликані відносно віддаленими землетрусами. Близько десяти останніх містять інформацію про глибинну будову планети.
Вивчаючи поведінку сейсмічних хвиль, що проходять крізь кору планети до датчика, планетологи виявили в ній кілька розломів. Перший, що спостерігається на глибині близько 10 км, відзначає межу між сильно зміненою структурою, що виникла в результаті давньої циркуляції рідини і незначно зміненою корою. Другий розрив суцільності - на глибині близько 20 км і третій, менш виражений, - на глибині близько 35 км. Ймовірно, кора Марса має товщину від 24 до 72 км з дуже глибокою літоферою, близькою до 500 кілометрів.
У другому дослідженні вчені вивчали мантію Марса, вони проаналізували різницю між часом проходження прямих хвиль, що виникли безпосередньо під час землетрусу, і хвиль, що виникли при їх відбитті від її поверхні. Ці відмінності дозволили, використовуючи тільки одну станцію, визначити структуру верхньої мантії і, зокрема, зміну сейсмічних швидкостей з глибиною. Оскільки такі зміни швидкості пов'язані з температурою, вони дозволяють оцінити тепловий потік Марса, який, ймовірно, в три-п'ять разів нижче, ніж у Землі, і накласти обмеження на склад марсіанської кори, яка, ймовірно, сильно збагачена радіоактивними елементами, які допомагають нагрівати її. Вважається, що кора Марса містить більше половини тепловидільних радіоактивних елементів, наявних у планети.
Нарешті, в третьому дослідженні планетологи шукали хвилі, відображені від поверхні ядра Марса, вимірювання радіусу якого стало одним з головних досягнень місії InSight. Складність роботи полягала в низьких амплітудах відображених хвиль. Для визначення характеристик внутрішньої структури планети вчені протестували кілька тисяч моделей мантії і ядра, порівнюючи можливі сигнали від них з спостережуваними. Ядро виявилося великим, радіусом від 1790 км до 1870 км, із середньою щільністю від 5,7 до 6,3 грама на кубічний сантиметр. Це передбачає присутність значної кількості легких елементів, розчинених у залізо-нікелевому рідкому ядрі, і має серйозні наслідки для мінералогії мантії на кордоні розділу з ядром.
Це дослідження дозволить зробити великий крок у розумінні формування та еволюції Марса, оскільки ключ до розгадки геологічної історії планети міститься в її внутрішній структурі, особливо в її ядрі. Одночасно воно породило і нові питання, наприклад, чи є зміна верхніх 10 км кори загальнопланетарним або воно обмежується зоною посадки InSight? Який вплив ці перші дослідження матимуть на теорії формування та теплової еволюції Марса, особливо протягом перших 500 мільйонів років, коли на поверхні Марса була рідка вода та інтенсивна вулканічна активність?
За матеріалами Institut de Physique du Globe de Paris