Під час останнього року місії NASA Mars InSight сильний землетрус дозволив дослідникам з ETH Zurich визначити глобальну товщину та щільність кори Марса. Марсіанська кора виявилася значно товстішою, ніж земна чи місячна, а основним джерелом тепла планети є радіоактивність.
У травні 2022 року Служба землетрусів ETH Zurich виявила найсильніший землетрус, який коли-небудь фіксувався на небесних тілах, окрім Землі. Ця подія, яка мала приблизну магнітуду 4,6, була задокументована на поверхні Марса за допомогою сейсмометра, встановленого в рамках NASA Mars. Місія InSight.
«Цей землетрус викликав сильні сейсмічні хвилі, які поширювалися поверхнею Марса», — каже Дойон Кім, сейсмолог з Інституту геофізики ETH Zurich.
Поверхневі хвилі пропонують глобальну перспективу
Після більш ніж трьох років щоденного моніторингу та зниження рівня потужності на сейсмометрі InSight дослідники отримали дані про значний землетрус. Поверхневі хвилі, які спостерігалися під час цього великого землетрусу, не лише поширювалися від джерела землетрусу до вимірювальної станції, вони також продовжували обертатися навколо всієї планети кілька разів. Ці дані не тільки дали інформацію про конкретні області Марса, але й дозволили отримати глобальний огляд планети.
«Від цього землетрусу, найбільшого землетрусу, зареєстрованого за всю місію InSight, ми спостерігали поверхневі хвилі, які охопили Марс до трьох разів», — говорить сейсмолог і провідний автор дослідження, щойно опублікованого в журналі Geophysical Research Letters .
Щоб отримати інформацію про структуру, через яку пройшли хвилі, дослідники виміряли, наскільки швидко ці хвилі поширюються на різних частотах.
Топографічна карта поверхні Марса (ліворуч) і зображення товщини земної кори (праворуч). Авторство зображення: наукова команда MOLA / Дойон Кім, ETH Zurich
Ці сейсмічні швидкості дозволяють зрозуміти внутрішню структуру на різних глибинах. Раніше спостережувані поверхневі хвилі від ударів двох великих метеоритів також дозволяли знайти регіональні знахідки вздовж їхніх конкретних шляхів поширення.
«Тепер у нас є сейсмічні спостереження, які представляють глобальну структуру», — каже Кім.
Порівняння даних з Марса з даними Землі та Місяця
Поєднавши нещодавно отримані результати з наявними даними про гравітацію та топографію Марса, дослідники змогли визначити товщину марсіанської кори. У середньому вона становить від 42 до 56 кілометрів (26-35 миль). В середньому кора найтонша в ударному басейні Ісідіс на відстані ~10 км (6 миль), а найтовща в провінції Фарсіс на відстані ~90 км (56 миль).
Щоб пояснити це в перспективі, сейсмічні дані вказують на те, що земна кора має середню товщину від 21 до 27 кілометрів (13-17 миль), тоді як місячна кора, як визначено сейсмометрами місії «Аполлон», становить від 34 до 43 кілометрів (21-17 миль). 27 миль) товщиною.
«Це означає, що марсіанська кора набагато товщі, ніж земна чи місячна», — каже Кім. Як правило, менші планетні тіла в нашій Сонячній системі мають більш товсту кору, ніж більші тіла. Кім пояснює: «Нам пощастило спостерігати цей землетрус. На Землі нам було б важко визначити товщину земної кори, використовуючи ту саму силу землетрусу, що стався на Марсі. Хоча Марс менший за Землю, він транспортує сейсмічну енергію ефективніше».
Один з найважливіших результатів цього дослідження стосується різниці між північною та південною півкулями Марса. Цей контраст спостерігався стільки часу, скільки існують телескопи; це особливо видно на зображеннях супутників Марса. Північна півкуля Марса складається з плоских низовин, а на півдні є високі плато. Поділ між північними низовинами та південними нагір’ями називають марсіанською дихотомією.
Подібна щільність кори і радіоактивне тепло
«Можна подумати, що цю різницю можна пояснити двома різними композиціями порід, — каже Кім. — Одна порід буде щільнішою за іншу». Хоча склад може бути однаковим на півночі та півдні, товщина земної кори різна. Якщо кора товща на півдні, під нею буде менш щільний матеріал марсіанської мантії, тоді як більш тонка кора на півночі матиме більше цього щільного, важчого матеріалу.
Що саме вдалося довести дослідникам? «Грунтуючись на сейсмічних спостереженнях і гравітаційних даних, ми показуємо, що щільність земної кори на північних низинах і південних нагір’ях подібна», – пишуть вони. Навпаки, кора в південній півкулі простягається на більшу глибину, ніж у північній півкулі. «Це відкриття є дуже захоплюючим і дозволяє покласти край давній науковій дискусії про походження та структуру марсіанської кори», — говорить Кім. Зрештою, аналіз падіння метеоритів на Марс минулого року вже дав докази того, що кори на півночі та півдні зроблені з одного матеріалу.
Подальші висновки також можна зробити з товстої марсіанської кори. «Наше дослідження показує, як планета генерує тепло, і пояснює термічну історію Марса», — каже Кім. Будучи планетою з однією пластиною, основним джерелом тепла, що утворюється в надрах Марса сьогодні, є результат розпаду радіоактивних елементів, таких як торій, уран і калій. Дослідження показало, що від 50 до 70 відсотків цих елементів, що виробляють тепло, знаходяться в корі Марса. Таке велике накопичення могло б пояснити, чому існують місцеві регіони, де процеси танення можуть відбуватися й сьогодні. Джерело