Marskælv afslører, at Red Planet har en overraskende stor kerne, tynd skorpe

En kunstner

En kunstners skildring af NASAs InSight lander på Mars. (Billedkredit: NASA/JPL-Caltech)



Skælv på Mars har afsløret sit indre i en hidtil uset grad og afslører overraskende detaljer om den røde planets skorpe, kappe og kerne.



Målinger taget af NASA'er Indsigt (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) lander har afdækket detaljer, herunder et skorpe lag, der varierer dramatisk fra tidligere forståelse, en kappe mindre tæt end overfladen og en kerne, der er større og mindre tæt end tidligere estimeret, nye resultater løfte sløret. Disse fund vil påvirke vores forståelse ikke kun af den røde planet i dag, men også hvordan den og andre stenede verdener dannede og udviklede sig i vores solsystem, sagde forskere.

Seismologi på Jorden er en relativt ung videnskab , med de første målinger af kappen foretaget i 1889, da forskere i Tyskland registrerede et jordskælv, der stammer fra Japan. Apollo -astronauter placerede fire stationer på månen, der kun kunne fange de vigtigste seismiske bølger. Vikingelanderne i 1970'erne forsøgte at måle marsskælv, men forstyrrelser fra vinden betød, at der ikke blev fundet bestemte signaler.



Mars InSight i fotos: NASA's mission for at undersøge kernen af ​​den røde planet

Så mens forskere har fået betydelig indsigt i Jordens indre og et kig ind månen , andre stenede verdener er forblevet et mysterium. Forskere har i stedet stolet på Mars -meteoritter, overfladeudforskning og tyngdekraft og magnetfeltobservationer fra kredsløb for foreløbigt at karakterisere Mars interiør .

'Det kan sammenlignes med at have en låst kasse og forsøge at bestemme, hvad der er inde ved blot at have nogle generelle oplysninger udefra,' siger Brigitte Knapmeyer-Endrun, forsker ved universitetet i Köln i Tyskland, til demokratija.eu via e-mail. Knapmeyer-Endrun er første forfatter på en af ​​tre InSight-undersøgelser, der blev offentliggjort i dag (22. juli) i tidsskriftet Science.



I modsætning hertil er InSights seismiske målinger sammenlignelige med røntgen af ​​boksen for at få et mere fuldstændigt overblik.

Tyk eller tynd skorpe

I årtier har landere og orbiters sonderet Mars -skorpen og sigtet gennem overfladematerialet i et forsøg på at fastslå, hvad planeten er lavet af, og hvor tyk eller tynd dens ydre lag kan være. Teoretikere har brugt disse målinger sammen med analyser af Mars meteoritter , for at skabe både tykke og tynde skorpe-modeller af planeten. Nogle modeller anslår skorpen til at være så tyk som 110 kilometer, betydeligt tykkere end Jordskorpe , der er mellem 5 og 70 km tyk.

Nu har InSight brugt seismiske bølger for at måle skorpen direkte under landingsstedet, bestemme at mindst to men muligvis tre lag gemmer sig under overfladen og beregne en gennemsnitlig skorpe tykkelse på tværs af hele planeten.



Når et jordskælv - eller skælv - forekommer, ekko seismiske bølger gennem planeten. Primære eller P-, bølger leder afsted og rejser hurtigt gennem lagene. P-bølger er kompressionsbølger, der ligner lydbølger, der rejser gennem luften. De efterfølges af sekundære eller S-, bølger, forskydningsbølger, hvis vibration er vinkelret på bølgens retning, ligesom en guitarstreng.

Måling af tid mellem P- og S-bølger kan give forskere mulighed for at bestemme, hvor langt væk jordskælvet opstod, da ankomsttiden stiger længere fra oprindelsen. Bølgerne bevæger sig også med forskellige hastigheder gennem forskellige stoffer, hvilket yderligere ændrer ankomsttiden. Endelig kan bølger også fanges og reflekteres af lag, hvilket giver yderligere information om det indre af en planet.

'Det er sikkert, at under InSight har vi mindst to lag i skorpen,' sagde Knapmeyer-Edrun. Det øverste lag er omkring 10 km tykt. Bølger, der rejser gennem skorpen alene, rejser meget langsommere end forventet baseret på observationer af overfladen, har InSights observationer vist.

Det øverste 'lag er sandsynligvis brudt op af gentagne meteoritpåvirkninger over eoner siden dannelsen af ​​skorpen og kan også ændres kemisk,' sagde Knapmeyer-Endrun.

Det andet lag strækker sig til en dybde på cirka 20 miles og er sandsynligvis et mere uberørt lag end det første, beskyttet mod stød og overfladeændringer.

Det næste lag ned er mere usikkert. Knapmeyer-Endrun sagde, at det er muligt, at der er et tredje skorpe-lag, der strækker sig til en dybde på cirka 39 km og består af et andet materiale end de to øverste. Eller interiøret kunne overgå til kappen på dette tidspunkt.

'Det kræver flere undersøgelser for virkelig at finde ud af, hvad de enkelte lag præcist er,' sagde hun.

Ved hjælp af InSights skælvskydedata og planet-wide gravitationsmålinger fastslog forskerne, at den gennemsnitlige tykkelse af Marsskorpen ligger mellem 14 og 45 miles (24 og 72 km).

De nye resultater er generelt kompatible med både tykke og tynde skorpe-modeller af Mars. Men Knapmeyer-Endrun sagde, at det var støtten til en skorpe, der kun var 20 km tyk, der potentielt lå under landeren, der var mest overraskende. En sådan tykkelse 'ville være tyndere end tidligere forudsigelser og er svær at forene med nogle af de tidligere modeller,' sagde hun.

Dette tal er imidlertid ikke klart, da en tykkere skorpe på 39 km også ville forklare resultaterne. InSight vil fortsætte med at studere skælv indtil udgangen af ​​sin forlængede mission i 2022, hvilket potentielt kan fordoble antallet af observerede rystelser.

'Med flere skælv og forskellige former for analyse håber vi stadig at skelne mellem disse to scenarier under den udvidede mission,' sagde Knapmeyer-Endrun.

Relaterede: Hvad er Mars lavet af?

De to største skælv opdaget af NASA

De to største skælv, der blev opdaget af NASAs InSight -lander, ser ud til at have sin oprindelse i en region kendt som Cerberus Fosse, hvor der tidligere er blevet opdaget tegn på tektonisk aktivitet som jordskred. Dette billede blev taget af NASAs Mars Reconnaissance Orbiter.(Billedkredit: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)

Smeltet kappe

Ud over at undersøge den ydre skal på den røde planet har InSight brugt bølger med lavere frekvens til at måle øverste kappe lag . Det andet videnskabelige studie baserede sig på lavfrekvente bølger, som kun udgør en lille del af jordskælvene målt af rumfartøjet. De fleste af de seismiske bølger målt ved InSight har en høj frekvens og er sandsynligvis relateret til hændelser, der forekommer tæt på landeren. Lavfrekvente begivenheder rejser længere, så forskere kan undersøge dybere ind i planeten.

'Jo længere væk du er, jo dybere vil bølgerne rejse, og det er her lavfrekvente begivenheder kommer,' sagde Amir Khan via e-mail. Khan er forsker ved ETH Zürich og universitetet i Zürich, Schweiz, og hovedforfatter af det andet papir .

De nye resultater afslører, at kappen strækker sig 248 til 373 miles (400 til 600 km) ned, mere end dobbelt så dyb som Jordens kappe. Det kan komme delvist, fordi Mars kun har en enkelt kontinentaltallerken i forhold til syv mobilplader fundet på Jorden. Selvom Mars -kappen kemisk ligner Jordens øvre kappe, indeholder den mere jern end en sammenlignelig skive af vores planet.

Ved hjælp af data fra undersøgelser af kappen modellerede Khan og kolleger, hvordan Mars tidligere var kølet og adskilt i lag. Knapmeyer-Endrun og hendes team udførte uafhængigt en lignende undersøgelse ved hjælp af data taget fra skorpen. Begge hold fandt ud af, at oprettelsen af ​​de lag, der ses i dag, krævede, at skorpen var 13 til 21 gange mere beriget med radioaktive varmeproducerende elementer (HPE'er) end kappen, højere end tidligere estimater foretaget ved måling af overfladematerialerne med NASA's Mars Global Surveyor (MGS) ) orbiter.

'[MGS] målte kun det radioaktive indhold af overfladen, men nu har vi fundet ud af, at skorpen som helhed er beriget i forhold til disse tidligere estimater, hvilket betyder, at det, vi ser på overfladen, ikke er det samme dybere i skorpen, Sagde Khan.

Støvet, der bygger planeter, indeholder spor af radioaktive elementer. Varme fra dannelse og forfald af disse elementer fører til smeltning, hvor HPE'erne uforholdsmæssigt stiger til toppen og aflejres i den nyfødte skorpe. Det forventes derfor, at skorpen vil holde flere HPE'er end kappen nedenunder.

Men en tyndere skorpe ville kræve en større berigelse af HPE'er med det, Knapmeyer-Endrun kalder 'potentielt interessante konsekvenser for forståelsen af ​​Mars differentiering.'

Implikationerne vil fortsætte med at udvikle sig, efterhånden som teoretikere kæmper for at forene de nye data med deres forståelse af planetdannelse og evolution.

Vores solsystem: En fotorundvisning på planeterne

NASA

NASAs InSight lander snappede dette billede af området foran det den 20. juli 2021.(Billedkredit: NASA/JPL-Caltech)

Større kerne

Mens de to første nye undersøgelser fokuserede på seismiske bølger, der rejste direkte gennem lagene, undersøgte en tredje undersøgelse dem, der sprang ud af Mars 'centrale kerne. S-bølger er ude af stand til at bevæge sig gennem væsker og gas og hopper derfor ud af den flydende kerne og reflekterer til overfladen. Ved at måle disse reflekterede bølger fastslog forskere, at kernen starter næsten halvvejs til planetens centrum, i en dybde på cirka 969 miles (1560 km), et tal i den store ende af tidligere estimater.

En større kerne antyder en, der er mindre tæt end tidligere antaget. De nye målinger af kernedensitet er lettere end jern, et fund, der kræver en infusion af lettere elementer som svovl, kulstof, brint eller ilt.

'Hvis [disse lyselementer] er i kernen i store mængder, skal vi muligvis genbesøge vores modeller for, hvordan planeten dannede for at tillade dem at ende i kernen og ikke i kappen, eller i tilfælde af brint, forlader planeten til atmosfæren tidligt, 'sagde hovedforfatteren af den tredje undersøgelse , Simon Stähler, der også er baseret på ETH Zürich.

Indtil videre er alle de skælv, der er opdaget af InSight, under størrelsesorden 4, lille nok til at være på jorden mennesker ville kun mærke rystelsen, hvis de var tæt på kilden. Disse mindre skælv er bøjede, når de kommer ind i kernen, 'svarende til hvordan lys bøjer, når det går gennem overfladen af ​​en sø,' sagde Stähler. Det betyder, at jordskælv fra Mars Tharsis -region, der menes at have den højeste seismiske aktivitet på planeten, er forblevet uopdaget.

Men hvis InSight kan registrere og korrekt identificere et jordskælv i størrelsesorden 4 eller højere i de aktive Tharsis -bjerge, kan det være i stand til at detektere bølger, der bevæger sig med succes gennem kernen, så forskere bedre kan indsnævre lyselementerne gemt inde.

Da kernen er større end tidligere antaget, skal kappen være tyndere, hvilket tyder på, at Mars mangler det tætte isolerende lag af mineralet bridgmanit, som Jorden besidder. Fraværet af dette lag ville tillade kernen at afkøle hurtigere, hvilket påvirker planetens magnetfelt.

Forskere ved, at den røde planet engang havde et magnetfelt, et der hjalp den med at holde fast i sin tidlige atmosfære. Da kernen blev afkølet, svækkede feltet, og Mars mistede ikke kun langt størstedelen af ​​atmosfæren, men også det flydende vand, der engang strømmede hen over overfladen.

'Dynamoer kræver flydende bevægelser i den metalliske kerne for at generere magnetfelter,' sagde Sabine Stanely, ekspert i Mars -dynamoen ved Johns Hopkins University i Maryland, som ikke var en del af den nye forskning. 'Hvordan Mars -dynamoen blev drevet, er stadig et åbent spørgsmål.'

En mekanisme til at drive kernens bevægelse er den hurtige bevægelse af varme fra kernen gennem kappen. Manglen på isolering fra bridgmanit kan hjælpe med at gøre dette muligt.

En anden mulighed er kompositionskonvektion. Når en kerne har lette elementer, kan de stige gennem den smeltede kerne, og deres bevægelse genererer et magnetisk felt. Efterhånden som jern størkner, vil det synke til midten af ​​kernen og muligvis også skabe en dynamo, der kan drive et magnetfelt.

Khan sagde, at han var mest overrasket over tilstedeværelsen af ​​en lav kernetæthed. Tilstedeværelsen af ​​lettere elementer antydede, at Mars kan have tiltrukket sig meget tidligt og hurtigt. Planeten kan også have samlet materiale fra det ydre solsystem, hvor lyselementer var mere rigelige.

'Disse observationer har givet anledning til spekulationer om, at Mars kan repræsentere et strandet planetarisk embryo, der viser de kemiske egenskaber ved soltågen [den gas og støv, der fødte solen og planeter] på stedet for Mars 'bane,' sagde Khan.

At forstå, hvordan man får lyselementerne ind i kernen, er 'ikke ligetil', sagde han, med brint et særligt problem.

'Vi arbejder på dette problem og har muligvis brug for en form for out-of-the-box-tænkning,' sagde Khan.

10 af 1.000

InSight landede på Mars i november 2018 og begyndte at optage skælv i februar 2019. På den tid har den opdaget mere end tusind forskellige seismiske hændelser. Så hvorfor har det taget mere end to år at forstå planetens indre?

En del af problemet er at sortere resultaterne fra støjen. Ifølge Knapmeyer-Endrun er mere end halvdelen af ​​de registrerede hændelser superhøj frekvens, hvilket tyder på, at de ikke skyldes jordskælv, men temperaturudsving. Disse rystelser er for lavt til at give oplysninger om lagene. En anden brøkdel af skælvene er højfrekvente hændelser, der ikke kan bruges til at studere lagene. De er ikke uønsket-Knapmeyer-Endrun sagde, at de kan bruges til at studere overfladisk struktur-men de er ikke nyttige, når det kommer til at forstå de dybere lag på Mars.

'Mindre end 5% af alle de seismiske hændelser, der er rapporteret, tilhører lavfrekvente familien og genererer bølger, der formerer sig gennem kappen, så de kan interagere med grænsen mellem kappen og skorpen under InSight og fortælle os noget om dybden af ​​denne grænseflade , 'Sagde Knapmeyer-Endrun. Og ikke alle af dem er af høj nok kvalitet til, at forskere kan finde deres placering, et krav for den nye forskning.

'Det ligner situationen på Jorden, hvor der er omkring 100.000 skælv med en størrelse på 3,0 eller højere registreret et sted på Jorden hvert år, men kun den største 1% eller deromkring ville blive brugt til globale undersøgelser af planetens indre, ' hun sagde.

Ud af de mere end 1.000 skælv, der blev registreret på Mars, fokuserede trioen af ​​nye undersøgelser kun på 10 forskellige skælv.

Derudover bragte Mars -vinteren højere vind, hvilket overdøvede forsøg på at måle skælv. Ifølge Knapmeyer-Endrun registrerede InSight meget lidt seismisk aktivitet i mere end 200 dage, hvilket fik teamet til at bekymre sig om, at de muligvis ikke kunne se flere skælv, inden landeren løb tør for strøm. Forsøg på at rense rumfartøjets solpaneler forbedrede situationen noget, og Insight er tilbage med at indsamle seismiske data.

Den sidste årsag til den lange forsinkelse er nyheden i de opgaver, forskerne udførte.

'Fordi det var et ret begrænset datasæt, og vi er de første til at prøve dette på Mars, tog vi også mere tid til at se på dataene igen og igen for at være ekstra sikre på vores fortolkninger og konklusioner,' sagde Knapmeyer-Endrun.

Følg os på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.