На основе анализа сейсмических данных с автоматической станции InSight планетологи выявили признаки существования у Марса твердого внутреннего ядра радиусом 613 ± 67 километров. Как полагают авторы исследования, отчет о котором опубликован в Nature, марсианское ядро обогащено легкими элементами и дальнейшее изучение этой структуры прояснит многие вопросы эволюции и современного состояния магнитного поля Марса.
Обнаружение твердого внутреннего ядра (либо доказательство его отсутствия) позволяет более уверенно судить о тепловых и динамических процессах внутри планеты, поскольку его кристаллизация и рост оказывают на них существенное влияние. До настоящего времени наличие твердого ядра, помимо Земли, надежно установлено только для Луны. Экспериментальные исследования поведения железо-сульфидной смеси при высоких давлениях и температурах показали, что кристаллизация внутреннего ядра возможна и для Марса. Однако обнаружить его можно лишь с помощью сейсмологических исследований. Данные для них содержатся в записях марсотрясений, полученных автоматической геофизической станцией InSight, и в 2023 году в них впервые нашли сигналы от волн, прошедших через ядро Красной планеты.
Результаты проведенных с помощью InSight наблюдений проанализировал сейсмолог Даоюань Сунь (Daoyuan Sun) из Научно-технического университета Китая и его американские и китайские коллеги. Учены взяли 23 низкочастотных (менее герца) события с эпицентральными расстояниями
Приблизительно 1600–2360 километров. В этом диапазоне расстояний зарегистрирована наибольшая часть проявлений марсианской сейсмичности.
. Исследователей интересовали слабые составляющие сейсмических сигналов, несущие информацию о строении самых глубоких областей ядра. Для их изучения применили построение веспаграмм ― графический метод обработки данных, позволяющий анализировать замедление слабых сигналов в зависимости от времени пробега волны. Отделение от шумов было достигнуто с помощью поляризационной фильтрации сигналов, а для повышения надежности веспаграмм использовали последовательно три типа тестов начальной выборки по бутстрэп-методу.
Исследователи идентифицировали сигналы двух типов от волн, прошедших через ядро Марса. Первый из них аналогичен регистрируемым на Земле волнам, отраженным границы ядро–мантия с внутренней стороны и дважды проходящим через ядро (сейсмическая фаза PKKP). Сигналы этого типа достигли приемника станции InSight на 50-200 секунд раньше, чем требует модель с полностью жидким ядром.
Инверсия ― процесс преобразования волновой сейсмической картины в количественное описание среды, через которую прошли волны.
данных о временах пробега таких волн на Марсе показала, что, помимо скачкообразного замедления на границе жидкого внешнего ядра радиусом около 1800 километров, они также скачкообразно увеличивают скорость примерно
Скорость продольных волн возрастала с приблизительно 5,5―6,0 до 7,3–8,3 километра в секунду, на 32 ± 8 процентов.
на границе раздела внутри самого ядра. Радиус этой внутренней области, где вещество ядра находится, очевидно, в твердом состоянии, составляет 613 ± 67 километров, или около 0,18 радиуса Марса ― пропорционально аналогичному соотношению у Земли (около 0,19). Другая группа волн, обнаруженная авторами исследования, подтвердила вывод о существовании внутреннего ядра. Это волны PKiKP-фазы, которые прошли внешнее ядро, но отразились от поверхности раздела.
Помимо анализа скоростей, Даоюань Сунь и его коллеги исследовали соотношение амплитуд сейсмических фаз PKKP и PKiKP, что помогло оценить величину скачка плотности на границе раздела жидкой и твердой фаз ―
Наиболее вероятная величина скачка плотности по результатам исследования ― с 6,08–6,48 до 6,68 грамм на кубический сантиметр.
. Этот результат налагает некоторые ограничения на химический состав ядра. Оно должно содержать такие легкие элементы, как сера, кислород и углерод. Вероятнее всего, их массовые доли составляют 12–16 процентов для серы, 6,7–9,0 процента для кислорода и не более 3,8 процента для углерода. В ядре с таким составом кристаллизация возможна и при достаточно высоких температурах, которые предполагаются большинством моделей (до 2000 кельвин). Однако большая неопределенность в оценках скорости волн и особенно изменения плотности существенно усложняет моделирование состава марсианского ядра.
Хотя процесс кристаллизации внутреннего ядра участвует в механизме геодинамо, обнаружение сложного ядра не противоречит отсутствию глобального магнитного поля у современного Марса. Функционирование геодинамо зависит от множества факторов, в частности, от скорости кристаллизации и от распределения легких элементов между твердой и жидкой фазами. Авторы отмечают, что полученные ими результаты согласуются с моделью раннего геодинамо. Предположительно оно действовало лишь до тех пор, пока ядро Марса быстро охлаждалось, но впоследствии темпы остывания стали недостаточными для поддержания конвекции во внешнем жидком ядре, и генерация магнитного поля прекратилась. Дальнейшие сейсмологические исследования структуры марсианского ядра позволят уточнить вопросы возникновения и эволюции геомагнитного динамо не только на Марсе, но и на других планетах земной группы и крупных спутниках, таких как Ганимед.
Ранее N + 1 рассказал, как по данным InSight ученые построили подробную схему подповерхностных слоев Марса и связали марсотрясения с активностью магмы в верхней мантии. Также мы сообщали о том, что в мантии Красной планеты планетологи нашли признаки существования неоднородностей километрового размера.