Планетологи нашли у Марса твердое внутреннее ядро

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. Ученые взяли 23 низкочастотных (менее герца) события с эпицентральными расстояниями . 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. 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 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 ― . 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.