Почему у Марса два полушария? Причина — конвекция мантии

Иллюстрация конвекционного происхождения полушарий Марса, основанная на затухании сейсмических волн от марсотрясений. Автор: Sun and Tkalčić, 2024.

Объяснения происхождения этой дихотомии в первую очередь связаны с гигантскими ударными объектами (диаметром около 2000 километров) из космоса и крупномасштабными конвективными движениями мантии, вызванными различиями в ее температуре и плотности.

Исследование, опубликованное в Geophysical Research Letters, попыталось еще больше раскрыть эту историю происхождения посредством изучения марсианских землетрясений, или марсотрясений. Подобно Земле, эта сейсмическая активность может быть использована для изучения движущих механизмов под поверхностью Марса.

«Землю и Марс часто считают планетами-сестрами, они образовались в один и тот же период (4,5 миллиарда лет назад), обе находятся в обитаемой зоне нашей Солнечной системы. Почему Земля кишит жизнью, а Марс в настоящее время кажется таким тихим и лишенным жизни?» — говорит профессор Сунь из Института геологии и геофизики Китайской академии наук.

«Мы считаем, что контраст между двумя планетами обусловлен различиями в их внутренних структурах и процессах. Учитывая, что дихотомия является одной из самых поразительных особенностей рельефа поверхности и внутренних структур Марса, мы надеемся найти ответы на этот вопрос, исследуя причины дихотомии, и попытаться решить загадку, которая интригует ученых уже 50 лет».

«Хотя картина глубоких недр Земли становится менее размытой, мы все еще не понимаем недр других планет земной группы», — профессор Ткалчич из Австралийского национального университета далее объясняет значимость проекта. «В этом исследовании мы исследовали недра Марса, используя волны от марсотрясений, зарегистрированных сейсмометром InSight, примерно так же, как мы делаем это на Земле с помощью землетрясений.

«Понимание Солнечной системы зависит от наших знаний о Земле, и наоборот — понимание нашего планетарного соседа позволит нам исследовать прошлое, настоящее и будущее Земли».

Для исследования этого вопроса профессора Сан и Ткалчич использовали данные о низкочастотных марсотрясениях, зарегистрированные во время миссии NASA InSight, которая проводилась с 2018 по 2022 год и была направлена на изучение коры, мантии и ядра Марса.

Получение необходимых данных оказалось довольно сложной задачей, учитывая, что на Марсе есть «единственный сейсмометр, который регистрировал марсотрясения и удары в течение ограниченного временного окна, в то время как на Земле у нас есть тысячи сейсмометров, которые непрерывно регистрируют движение земной поверхности».

Профессор Сан говорит: «Марс демонстрирует значительно меньшую тектоническую активность по сравнению с Землей, что приводит к меньшему количеству и, как правило, меньшей магнитуде марсотрясений. Более того, расположение сейсмометра на поверхности подвергает его воздействию суточных ветров, которые, несмотря на защитное экранирование, способствуют значительному снижению соотношения сигнал/шум».

После улучшения соотношения сигнал/шум с помощью применения современных методов исследователи выявили новый кластер из шести марсотрясений в регионе Терра Киммерия в Южном нагорье и сравнили их с 16 ранее известными марсотрясениями в Церберских бороздах в Северных низменностях, основываясь на том, как сейсмические волны движутся от этих марсотрясений к сейсмометру InSight.

Затем ученые определили фактор качества для каждого набора, который является физической мерой того, насколько ослабевает сейсмическая волна, проходя через недра и поверхность Марса. Поскольку Terra Cimmeria имеет более низкий фактор качества (что означает большее ослабление сейсмической волны), чем Cerberus Fossae, исследователи определили закономерность сейсмического затухания с юга на север.

Поэтому они приходят к выводу, что южная мантия испытывает более высокие температуры и меньшую вязкость. Это также подтверждается более толстой корой южного полушария, которая замедляет потерю тепла изнутри, делая ее более текучей и, следовательно, испытывая более энергичную конвекцию.

«Экспериментальные данные, связывающие сейсмический фактор качества с температурой, свидетельствуют о том, что мантия под Южным нагорьем может достигать температуры около 1000 °C, по сравнению с примерно 800 °C или немного выше под Северными низменностями», — отмечает профессор Сан.

В целом профессора Сан и Ткалчич пришли к выводу, что основной причиной необычной двойственности Марса является конвекция в мантии, а не гигантские столкновения, как предполагает альтернативная гипотеза.

Но их исследования продолжаются, и профессор Сан объясняет следующий двухсторонний подход к пониманию существенных различий между современным Марсом и Землей.

«Во-первых, продолжая наше исследование внутренней структуры Марса в сравнении с Землей, мы установили, что кора в месте посадки InSight имеет толщину около 50 километров, что значительно толще средней континентальной коры Земли (примерно 35 километров) и океанической коры (примерно 10 километров или меньше). Поэтому мы выясним, почему Марс, несмотря на то, что он почти вдвое меньше Земли, обладает такой толстой корой.

«Во-вторых, мы будем искать жидкую воду на Марсе. Хорошо известно, что вода необходима для поддержания жизни. Данные свидетельствуют о том, что на Марсе когда-то были огромные океаны; однако большая часть его жидкой воды могла улетучиться в космос или быть изолированной в коре. Чтобы изучить это, мы намерены использовать сейсмологические методы, чтобы определить, сохраняется ли жидкая вода в марсианской коре.

«Изучение этих двух особенностей может помочь нам понять расходящиеся эволюционные пути Марса и Земли и может дать подсказки о потенциальном будущем и окончательной судьбе нашей планеты».

Больше информации: Weijia Sun et al, Constraints on the Origin of the Martian Dichotomy From Southern Highlands Marsquakes, Geophysical Research Letters (2024). DOI: 10.1029/2024GL110921