Rozwikłaj podstawową tajemnicę Czerwonej Planety

MarsRdzeń z ciekłego żelaza jest mniejszy i gęstszy, niż wcześniej sądzono. Są nie tylko mniejsze, ale także otoczone warstwą stopionej skały. Do takich wniosków doszli badacze ETH Zurich na podstawie danych sejsmicznych z lądownika InSight.

• Rok później NASA Misja InSight dobiegła końca, a analiza zarejestrowanych trzęsień ziemi na Marsie w połączeniu z symulacjami komputerowymi nadal dostarcza nowych wyników.
• Analiza początkowo zaobserwowanych marsjańskich trzęsień ziemi pokazuje, że średnia gęstość jądra Marsa musiała być znacznie niższa niż gęstość czystego ciekłego żelaza.
• Nowe obserwacje pokazują, że promień jądra Marsa zmniejszył się z początkowo określonego zakresu 1800-1850 kilometrów do 1650-1700 kilometrów.

Odkrywanie wnętrza Marsa: spostrzeżenia z lądownika InSight NASA

Przez cztery lata lądownik InSight NASA rejestrował wstrząsy na Marsie za pomocą sejsmometru. Naukowcy z ETH Zurich zebrali i przeanalizowali dane przesłane na Ziemię, aby określić wewnętrzną strukturę planety. „Mimo że misja zakończyła się w grudniu 2022 r., odkryliśmy teraz coś bardzo interesującego” – mówi Amir Khan, starszy naukowiec na Wydziale Nauk o Ziemi w ETH Zurich.

Unikalna warstwa krzemianowa Marsa

Analiza zarejestrowanych trzęsień ziemi na Marsie w połączeniu z symulacjami komputerowymi rysuje nowy obraz wnętrza planety. Uwięziony pomiędzy ciekłym marsjańskim żelazem Stop Jądro planety i stały płaszcz krzemianowy znajdują się w warstwie ciekłego krzemianu (magmy) o grubości około 150 kilometrów. „Ziemia nie ma takiej całkowicie stopionej warstwy krzemianów” – mówi Khan.

Wynik ten opublikowano teraz w czasopiśmie naukowym Natura Wraz z badaniem Henriego Samuela z Institut Physique du Monde w Paryżu, które doszło do podobnego wniosku przy użyciu metod uzupełniających, dostarcza również nowych informacji na temat wielkości i składu jądra Marsa, rozwiązując zagadkę rozwiązaną wcześniej przez badaczy. Dotychczas Nie potrafił wyjaśnić.

Podstawowy skład Marsa

Analiza początkowo zaobserwowanych marsjańskich trzęsień ziemi wykazała, że ​​średnia gęstość jądra Marsa musiała być znacznie niższa niż gęstość czystego ciekłego żelaza. Na przykład jądro Ziemi składa się w około 90% z żelaza. Pierwiastki lekkie, takie jak siarka, węgiel, tlen i wodór, stanowią łącznie około 10 procent masy.

Wstępne szacunki gęstości jądra Marsa wykazały, że składało się ono ze znacznie większej części lekkich pierwiastków – około 20% wagowych. „Reprezentuje to bardzo dużą grupę lekkich pierwiastków, co jest prawie niemożliwe. Od tego czasu zastanawiamy się nad tym wynikiem „, mówi Dongyang Huang, badacz ze stopniem doktora na Wydziale Nauk o Ziemi w ETH Zurich.

Henry Samuel, badacz z Narodowego Centrum Badań Naukowych i geodynamik w IPGP, wyjaśnia nowy model wewnętrznej struktury Marsa, zaproponowany w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature. Badania przeprowadzone przez naukowców z misji InSight NASA sugerują, że płaszcz Marsa jest niejednorodny i składa się z warstwy stopionych krzemianów pokrywających rdzeń Marsa. Model ten, zbudowany na podstawie danych sejsmicznych zarejestrowanych na Marsie po uderzeniu meteorytu, które uwzględniają wszystkie obserwacje geofizyczne, rewolucjonizuje nasze spojrzenie na wewnętrzną strukturę i ewolucję Czerwonej Planety. Źródło: © IPGP

Nowa definicja istoty Marsa

Nowe obserwacje pokazują, że promień jądra Marsa zmniejszył się z początkowo ustalonego zakresu 1800-1850 km do 1650-1700 km, co stanowi około 50% promienia Marsa. Jeśli rdzeń Marsa jest mniejszy niż wcześniej sądzono, ale ma tę samą masę, oznacza to, że ma większą gęstość i dlatego zawiera mniej lekkich pierwiastków. Według nowych obliczeń udział lekkich pierwiastków spadł do 9–14 procent wagowych.

„Oznacza to, że średnia gęstość jądra Marsa jest nadal dość niska, ale nie jest już niewytłumaczalna w kontekście typowych scenariuszy powstawania planet” – mówi Paolo Susi, adiunkt na Wydziale Nauk o Ziemi w ETH Zurich i członek Krajowego Komitetu Nauk o Ziemi. Centra Kompetencji w dziedzinie badań (NCCR) PlanetS.

Fakt, że jądro Marsa zawiera dużą ilość lekkich pierwiastków, wskazuje, że powstało ono bardzo wcześnie, być może wtedy, gdy Słońce było jeszcze otoczone gazem mgławicowym, z którego mogły zgromadzić się lekkie pierwiastki w jądrze Marsa.

Wykorzystanie odległych trzęsień ziemi na Marsie

Wstępne obliczenia oparto na wstrząsach, które wystąpiły w pobliżu lądownika InSight. Jednak w sierpniu i wrześniu 2021 r. sejsmograf zarejestrował dwa trzęsienia ziemi po drugiej stronie Marsa. Jedno z nich powstało na skutek uderzenia meteorytu.

„W wyniku tych trzęsień ziemi powstały fale sejsmiczne, które przeszły przez jądro Ziemi” – wyjaśnia Cecilia Duran, doktorantka na Wydziale Nauk o Ziemi ETH w Zurychu. „To pozwoliło nam rzucić światło na serce”.

Natomiast w przypadku poprzednich trzęsień ziemi na Marsie fale odbijały się na granicy jądra i płaszcza, nie dostarczając żadnych informacji o najgłębszym wnętrzu czerwonej planety. W wyniku tych nowych obserwacji badaczom udało się obecnie określić gęstość i prędkość fal sejsmicznych w płynnym jądrze aż do głębokości około 1000 km.

Symulacja superkomputera mechaniki kwantowej

Aby wywnioskować skład materiału z tych profili, badacze zazwyczaj porównują dane z syntetycznymi stopami żelaza zawierającymi różne proporcje lekkich pierwiastków (S, C, O i H). W laboratorium stopy te poddawane są działaniu wysokich temperatur i ciśnień porównywalnych z tymi występującymi we wnętrzu Marsa, co umożliwia badaczom bezpośredni pomiar gęstości i prędkości fal sejsmicznych.

Jednak w tej chwili większość eksperymentów przeprowadzana jest w warunkach panujących we wnętrzu Ziemi, dlatego nie można ich od razu zastosować na Marsie. W rezultacie badacze z ETH Zurich przyjęli inne podejście. Obliczyli właściwości szerokiej gamy stopów, korzystając z obliczeń mechaniki kwantowej przeprowadzonych w Szwajcarskim Narodowym Centrum Superkomputerowym (CSCS) w Lugano w Szwajcarii.

Kiedy badacze porównali obliczone profile z pomiarami opartymi na danych sejsmicznych InSight, napotkali problem. Okazuje się, że nie ma lekkich stopów żelaza, które jednocześnie odpowiadały danym na górze i w środku Marsa. Na przykład na granicy rdzenia i płaszcza stop żelaza powinien zawierać znacznie więcej węgla niż znajduje się we wnętrzu rdzenia.

„Zajęło nam trochę czasu, zanim zdaliśmy sobie sprawę, że obszar, który wcześniej uważaliśmy za zewnętrzny rdzeń z ciekłego żelaza, wcale nie był rdzeniem, ale raczej najgłębszą częścią płaszcza” – wyjaśnia Huang. Na poparcie tej tezy naukowcy odkryli również, że gęstość i prędkość fal sejsmicznych zmierzona i obliczona w najdalszych 150 kilometrach jądra Marsa była zgodna z tymi występującymi w ciekłych krzemianach – tym samym materiale w postaci stałej, z którego składa się Mars. płaszcz. .

Dalsza analiza poprzednich trzęsień ziemi na Marsie i dodatkowe symulacje komputerowe potwierdziły to odkrycie. Niestety zakurzone panele słoneczne i wynikające z nich braki w dostawie prądu uniemożliwiły lądownikowi InSight dostarczenie dodatkowych danych, które mogłyby rzucić więcej światła na skład i strukturę wnętrza Marsa. „Jednak misja InSight była bardzo udana, dostarczyła nam wielu nowych danych i spostrzeżeń, które będą analizowane przez wiele lat” – mówi Khan.

Więcej informacji na temat tego badania można znaleźć w artykule Lądownik InSight NASA odkrywa tajemnicę stopionego Marsa.

Bibliografia:

„Dowody na warstwę ciekłego krzemianu nad jądrem Marsa” A. Khan, D. Huang, C. Durán, P. A. Sossi, D. Giardini i M. Murakami, 25 października 2023 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06586-4

„Geofizyczne dowody na warstwę wzbogaconą w stopiony krzemian nad jądrem Marsa” autorstwa Henry’ego Samuela, Melanie Drilio, Attilio Rivoldini, Zhongbo Xu, Quanxing Huang, Rafael F. Garcia, Vedran Lekic, Jessica CE Irving, James Badro, Philip H. Lugnonier, James Connolly, Taiichi Kawamura, Tamara Gudkova i William B. Bannerda, 25 października 2023 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06601-8

Misja NASA Mars Insight

laboratorium napędów odrzutowych (Laboratorium Napędów Odrzutowych) zarządzał systemem InSight w Dyrekcji Misji Naukowych NASA. InSight jest częścią programu Discovery Program NASA, zarządzanego przez należące do tej agencji Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla. Lockheed Martin Space zbudował statek kosmiczny InSight, w tym platformę wycieczkową i lądownik, a także wspierał operacje statku kosmicznego w ramach misji.

Szereg partnerów europejskich, w tym francuskie Krajowe Centrum Studiów Kosmicznych (CNES) i Niemieckie Centrum Aerokosmiczne (DLR), wspiera misję InSight. Francuskie Narodowe Centrum Studiów Kosmicznych przekazało NASA instrument do eksperymentu sejsmicznego dla struktury wnętrza (SEIS), którego głównym badaczem jest IPGP (Instytut Fizyki Świata w Paryżu). IPGP wniosło znaczący wkład w SEIS; Instytut Badań nad Układem Słonecznym im. Maxa Plancka (MPS) w Niemczech; Szwajcarski Federalny Instytut Technologii (ETH Zurich) w Szwajcarii; Imperial College w Londynie Uniwersytet Oksfordzki w Wielkiej Brytanii; Oraz Laboratorium Napędów Odrzutowych. Usługą Marsquake zarządza ETH Zurich, przy znaczącym udziale IPGP; the Uniwersytet w Bristolu; Kolegium Cesarskie; ISAE (Wyższy Instytut Lotnictwa i Kosmosu); MPS. Oraz Laboratorium Napędów Odrzutowych. Instrument Heat Flow and Physical Properties Package (HP3) został dostarczony przez firmę DLR, przy głównym udziale Centrum Badań Kosmicznych (CBK) Polskiej Akademii Nauk i firmy Astronica w Polsce. Hiszpańskie Centrum Astrobiologii (CAB) dostarczyło czujniki temperatury i wiatru.