Марс оказался неоднородным не только на поверхности, но и глубоко внутри. Новое исследование показало, что мантия под южными высокогорьями Красной планеты может быть на 200–400 градусов Цельсия горячее, чем сопоставимые области северного полушария. Полученные данные указывают на существование сохраняющейся до наших дней тепловой аномалии, связанной с фундаментальным различием между двумя полушариями Марса.
Открытие сделано не с помощью непосредственного измерения температуры под поверхностью. Исследователи восстановили особенности внутреннего строения Марса по очень небольшим изменениям его гравитационного поля, используя данные слежения за тремя космическими аппаратами. Такой подход получил название приливной томографии.
Результат важен потому, что знаменитая марсианская дихотомия — резкое различие между северными равнинами и южными высокогорьями — может иметь гораздо более глубокое происхождение, чем считалось. Теперь есть основания полагать, что различия между двумя половинами планеты распространяются в мантию.
При этом причина обнаруженной тепловой асимметрии пока не установлена. Исследователи рассматривают несколько возможных объяснений: древнее гигантское столкновение, длительное движение вещества в мантии или способность толстой южной коры удерживать внутреннее тепло. Поэтому речь пока идёт не о доказанном сценарии происхождения марсианской дихотомии, а о новом ограничении для моделей эволюции планеты.
Марс оказался «двуликим» не только на поверхности
Северные равнины и южные высокогорья
Марс давно известен необычным устройством поверхности. Северное полушарие в основном занято обширными низменностями, тогда как южное отличается более высокой, пересечённой и сильно испещрённой древними кратерами местностью.
Граница между этими двумя крупными областями называется марсианской корковой дихотомией. Она представляет собой одну из наиболее масштабных особенностей планеты.
Различия проявляются не только в рельефе. Между севером и югом существуют различия в средней толщине коры, её плотности, магнитизации и характеристиках распространения сейсмических волн. По данным нового исследования, аналогичная асимметрия обнаруживается и глубже — в мантии Марса.
Это существенно меняет представление о дихотомии. Если бы различия ограничивались верхними слоями планеты, их можно было бы объяснять исключительно процессами формирования коры. Но совпадение поверхностной структуры с особенностями мантии указывает на связь между ними.
Дихотомия могла влиять на историю воды
Различия между северным и южным полушариями имеют значение и для истории марсианской воды.
Северные низменности могли в прошлом быть местом существования крупных водоёмов. Формирование бассейнов, способных удерживать воду, связано с развитием коры и рельефа планеты.
Поэтому понимание того, почему север и юг Марса сформировались настолько по-разному, помогает реконструировать условия, существовавшие на планете в далёком прошлом.
Новое исследование не доказывает наличие древнего океана на Марсе и не устанавливает конкретный механизм образования северных низменностей. Оно показывает, что современное состояние внутренней части планеты содержит признаки, которые могут быть связаны с древней историей её поверхности.
Как удалось узнать о температуре внутри Марса
Космические аппараты измеряли не температуру, а гравитацию
Ни один из исследуемых аппаратов не бурил марсианскую кору на километры вглубь и не измерял температуру мантии непосредственно.
Вместо этого учёные использовали данные о движении космических аппаратов вокруг Марса.
Когда аппарат обращается вокруг планеты, его скорость и траектория постоянно испытывают очень небольшие изменения под действием гравитации. Эти изменения зависят от распределения массы внутри планеты.
Если внутри Марса масса распределена неодинаково, гравитационное поле также отличается от идеализированного поля сферически симметричной планеты.
Именно эти небольшие отклонения можно использовать для восстановления внутренней структуры.
Были объединены данные трёх марсианских миссий
Для исследования использовались данные слежения за тремя космическими аппаратами: Mars Global Surveyor, Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter.
Эти миссии работали на Марсе в разные периоды и накопили большой объём информации о его гравитационном поле и движении аппаратов.
Исследователи анализировали изменения скорости космических аппаратов и по ним восстанавливали изменения гравитационного поля Марса.
Особенно важными оказались не постоянные особенности гравитации, а её изменения со временем. Именно здесь появляется возможность получить информацию о механических свойствах внутренних слоёв планеты.
Что такое приливная томография
Солнце заставляет Марс немного деформироваться
Марс движется вокруг Солнца по слегка вытянутой орбите, а его ось вращения наклонена.
Из-за этого воздействие солнечной гравитации на планету меняется в течение марсианского года.
Марс под действием этих сил немного деформируется. Речь идёт о крайне малых изменениях формы и внутреннего состояния планеты, которые невозможно увидеть обычной камерой.
Однако даже такие небольшие изменения отражаются на гравитационном поле и движении космических аппаратов.
Именно периодические гравитационные изменения исследователи использовали для получения информации о внутренней части Марса.
Метод позволяет заглянуть внутрь планеты без бурения
Приливная томография в данном случае работает как способ косвенного исследования недр.
Учёные сначала определяют, как Марс должен реагировать на периодическое воздействие Солнца при различных моделях внутреннего строения. Затем сравнивают расчётные результаты с реальными данными о движении космических аппаратов.
Если наблюдаемая реакция отличается от той, которую даёт модель однородной или сферически симметричной планеты, это указывает на различия внутри Марса.
Так удалось установить, что изменения временного гравитационного поля существенно отличаются от ожидаемых для симметричной внутренней структуры. В частности, некоторые компоненты гравитационного поля отличаются от такого прогноза до примерно 300 процентов.
Это не означает, что гравитация Марса стала «в три раза сильнее». Речь идёт о величине конкретных временных компонентов гравитационного сигнала относительно предсказания симметричной модели.
Что происходит в марсианской мантии
Мантия находится между корой и ядром
Как и Земля, Марс имеет слоистое внутреннее строение. Внешнюю твёрдую оболочку образует кора, под ней располагается мантия, а глубже находится металлическое ядро.
Мантия состоит преимущественно из силикатных пород. Её вещество не является полностью жидким, но на больших геологических масштабах способно медленно деформироваться и перемещаться.
Физические свойства мантии зависят от температуры, давления и состава.
Именно поэтому изменения в её температуре могут отражаться на том, как планета реагирует на периодические гравитационные воздействия.
Температура влияет на жёсткость пород
Исследователи анализировали так называемый эффективный модуль сдвига мантии — характеристику, связанную с её сопротивлением деформации.
Модель показала, что для объяснения наблюдаемой гравитационной асимметрии механические свойства мантии должны различаться между севером и югом более чем на 20 процентов.
При обычных сейсмических масштабах такая разница потребовала бы слишком большого различия температур. Но приливное воздействие происходит на гораздо более длительном временном масштабе, и на нём свойства пород проявляют значительно более сильную зависимость от температуры.
Поэтому наблюдаемую разницу механических свойств удалось объяснить температурной асимметрией порядка 200–400 градусов Цельсия.
Где находится горячая область
Основная аномалия связана с южными высокогорьями
Речь идёт не о том, что весь Марс на юге буквально представляет собой гигантскую область расплавленной породы.
Исследование указывает на более горячую область мантии под южными высокогорьями — регионом, соответствующим крупной части южного полушария.
Именно здесь наблюдаемые гравитационные особенности лучше всего согласуются с повышенной температурой мантии.
Температурная разница оценивается примерно в 200–400 градусов Цельсия по сравнению с северным полушарием.
Это очень большая разница для внутреннего строения планеты, особенно если она сохраняется на протяжении геологически длительного времени.
Это не означает, что весь юг Марса расплавлен
В популярном изложении такое открытие легко превратить в утверждение о «расплавленной мантии под южным полюсом». Но полученные данные требуют более осторожной формулировки.
Исследователи делают вывод о существовании горячей температурной аномалии в мантии. Локальное частичное плавление возможно, однако сама гравитационная модель не показывает, что вся область представляет собой сплошной слой жидкой магмы.
Авторы отмечают, что тёплая мантия может способствовать локальному плавлению. При этом характеристики сейсмического затухания в южных высокогорьях остаются выше значений, ожидаемых для значительного количества частично расплавленного оливина.
Поэтому корректнее говорить о горячей мантии с возможностью локального плавления, а не о доказанном существовании огромного подземного моря магмы.
Почему горячая мантия может быть частично расплавленной
Повышение температуры изменяет состояние пород
При увеличении температуры мантия становится менее жёсткой и может легче деформироваться.
Если температура достаточно высока, отдельные участки пород могут начать плавиться.
Но частичное плавление не означает полного превращения мантии в жидкость. В таком случае твёрдые минералы и расплав сосуществуют в одном объёме породы.
Для Марса вопрос о возможном частичном плавлении особенно интересен, поскольку он связан с его вулканической и геодинамической историей.
Возможны локальные очаги расплава
Авторы исследования допускают, что повышенная температура в южной мантии могла приводить к локальному плавлению.
При этом пока неизвестно, существует ли под южными высокогорьями отдельная система небольших магматических очагов или более протяжённая расплавленная область.
Для ответа на этот вопрос нужны дополнительные измерения.
В частности, исследователи отмечают перспективность электромагнитных методов, которые способны отличать горячую, но преимущественно твёрдую мантию от областей, содержащих значительное количество расплава.
Как открытие связано с марсианским магнитным полем
На юге Марса сохранились магнитные аномалии
Современный Марс не обладает глобальным магнитным полем, сравнимым с земным.
Однако в его древней коре обнаружены участки остаточной намагниченности. Особенно заметны магнитные аномалии в южных высокогорьях.
Это означает, что часть пород сформировалась или изменила свои магнитные свойства в эпоху, когда у Марса существовало древнее глобальное динамо.
Новое исследование предлагает возможную связь между современной тепловой неоднородностью мантии и древними магнитными особенностями коры.
Горячая мантия могла влиять на намагниченность древней коры
Одно из возможных объяснений состоит в том, что подъём горячего вещества под южными высокогорьями мог нагревать расположенную выше кору в период существования марсианского динамо.
Если температура породы превышала определённый предел, её прежняя магнитная память могла быть уничтожена.
После последующего охлаждения порода могла снова приобрести остаточную намагниченность, соответствующую состоянию магнитного поля в тот момент.
Авторы рассматривают и другой вариант: регионально усиленный тепловой поток из области границы ядра и мантии мог влиять на конвекцию во внешней части ядра и тем самым способствовать более сильному динамо под южным полушарием.
Обе версии остаются гипотезами, а не установленными фактами.
Сейсмические данные тоже указывают на более горячий юг
Mars InSight обнаружил различия в затухании волн
Новая интерпретация гравитационных данных согласуется с ещё одним наблюдением.
Посадочный аппарат NASA InSight регистрировал марсотрясения и распространение сейсмических волн через внутреннюю часть планеты.
Исследования показали, что сейсмические волны в южной части Марса затухают быстрее.
Само по себе это наблюдение не доказывает повышенную температуру.
Однако более высокая температура способна увеличивать потери энергии сейсмических волн. Поэтому новая модель внутренней температуры предлагает естественное объяснение ранее обнаруженной разницы.
Независимые данные усиливают значение результата
Особая ценность нового исследования заключается в том, что оно не просто предлагает ещё одну интерпретацию рельефа Марса.
Гравитационные измерения показывают особенности мантии, а сейсмические данные уже указывали на различия между севером и югом.
Кроме того, южное полушарие отличается характером остаточной намагниченности.
Когда несколько независимых типов наблюдений указывают на одну и ту же крупномасштабную неоднородность, становится возможным построить более согласованную модель внутреннего строения планеты.
Однако это всё ещё косвенные свидетельства. Прямого измерения температуры марсианской мантии не проводилось.
Откуда могла взяться такая тепловая асимметрия
Происхождение аномалии пока остаётся главным открытым вопросом.
Авторы рассматривают несколько сценариев, способных объяснить, почему южная мантия Марса могла оставаться существенно горячее северной на протяжении миллиардов лет.
Гигантское столкновение
Один из возможных вариантов связан с древним гигантским ударом.
В ранней истории Солнечной системы Марс подвергался многочисленным столкновениям с крупными телами. Очень мощное столкновение могло изменить структуру коры и мантии и перераспределить тепло внутри планеты.
В рамках такого сценария северная и южная части Марса могли получить разные начальные условия.
Однако само обнаружение тепловой асимметрии не доказывает, что причиной было именно столкновение. Для проверки этого варианта необходимо сопоставлять его последствия с наблюдаемой структурой коры, мантии и рельефа.
Движение вещества в мантии
Другой вариант связан с конвекцией.
Внутри планеты более горячее вещество может медленно подниматься, а более холодное — опускаться. Такие движения способны перераспределять тепло и изменять строение мантии.
Исследователи рассматривают возможность длительного крупномасштабного подъёма горячего вещества под южным полушарием.
Если подобный процесс сохранялся достаточно долго, он мог сформировать и поддерживать температурную асимметрию.
Но пока неизвестно, действительно ли такое движение происходит в Марсе сейчас и насколько долго оно могло существовать.
Толстая кора могла удерживать тепло
Третий вариант связан с особенностями южной коры.
Южные высокогорья имеют более толстую кору по сравнению с северными низменностями. Средняя разница оценивается примерно в 25 километров.
Более толстая кора способна сильнее препятствовать выходу тепла из глубин.
В результате под ней могла сохраняться более высокая температура.
Моделирование, рассмотренное в исследовании, показывает, что теплоизоляционное воздействие более толстой южной коры способно создавать температурный контраст свыше 200 градусов Цельсия, что согласуется с полученной оценкой.
Может ли толстая кора объяснить «двуликий» Марс
Связь между поверхностной и внутренней асимметрией особенно интересна.
Если южные высокогорья действительно сформировали толстую кору, которая удерживает внутреннее тепло, то поверхность Марса могла сама способствовать сохранению температурного различия.
Получается своеобразная обратная связь: древние процессы создают более толстую кору, а эта кора затем меняет теплообмен планеты и сохраняет особенности мантии.
При этом остаётся открытым вопрос о том, что первоначально создало саму дихотомию.
Толстая кора может объяснять сохранение тепла, но не обязательно является первопричиной различий между севером и югом.
Поэтому различные механизмы могут оказаться связанными между собой: древнее событие могло сформировать неоднородность, движение мантии — усилить её, а толстая кора — помочь сохранить температурный контраст до настоящего времени.
Что новое исследование говорит о прошлом Марса
Тепло внутри планеты сохранялось миллиарды лет
Если обнаруженная температурная асимметрия действительно является древним и устойчивым свойством Марса, она показывает, что внутреннее тепло планеты распределялось крайне неравномерно.
Это важно для понимания её геологической эволюции.
Внутреннее тепло определяет многие процессы: движение вещества в мантии, вулканическую активность, деформацию коры и, косвенно, состояние атмосферы и гидрологическую историю.
Поэтому информация о температуре мантии позволяет связать современное внутреннее состояние Марса с событиями далёкого прошлого.
Горячая мантия могла влиять на воду
Связь между внутренним теплом и водой на поверхности может показаться неочевидной, но она существует через геологические процессы.
Внутренние процессы формируют и изменяют кору, создают бассейны и влияют на рельеф.
Если крупные северные низменности связаны с процессами, которые одновременно затронули мантию, то внутренняя структура Марса могла косвенно определить, где в прошлом могла накапливаться вода.
Поэтому новая работа имеет значение не только для геофизики, но и для реконструкции древней марсианской среды.
Что это означает для вопроса о древней обитаемости Марса
Марс в далёком прошлом был значительно более геологически активным, чем сейчас, а многочисленные данные свидетельствуют о существовании на его поверхности жидкой воды.
Но вопрос о том, насколько долго сохранялись подходящие для жизни условия, остаётся открытым.
Внутренняя температура планеты могла влиять на геологические процессы, которые формировали бассейны и каналы, а также на вулканизм и состояние поверхности.
Поэтому обнаружение современной тепловой неоднородности даёт дополнительные сведения о механизмах, которые могли действовать в древнем Марсе.
При этом нельзя делать вывод, что горячая мантия сама по себе свидетельствует о существовании жизни. Исследование не обнаружило биологических следов и не определяет продолжительность существования обитаемых условий.
Почему результат получен именно сейчас
Главная причина — накопление длительных и точных данных о движении марсианских орбитальных аппаратов.
Каждая небольшая вариация скорости аппарата содержит информацию о гравитационном поле планеты.
Отдельное измерение даёт ограниченное количество информации. Но многолетний массив данных позволяет выявлять очень слабые периодические изменения.
Исследователи смогли объединить наблюдения нескольких миссий и рассмотреть их в рамках новой модели внутреннего строения.
Таким образом, открытие не потребовало отправки нового аппарата непосредственно к южному полюсу Марса. Оно стало возможным благодаря повторному анализу уже накопленных измерений и развитию методов их интерпретации.
Новый способ исследовать внутренности планет
Приливная томография применима не только к Марсу
Метод интересен не только как инструмент для изучения Красной планеты.
Если периодические изменения гравитационного поля позволяют получать сведения о внутренней структуре Марса, аналогичный подход может использоваться и для других планетных тел.
Авторы исследования уже рассматривают применение приливной томографии к другим объектам Солнечной системы.
Особенно интересными могут быть спутники, которые испытывают заметное приливное воздействие своих планет.
Космические аппараты могут изучать то, что находится глубоко под поверхностью
Это принципиально важный аспект современной планетологии.
Большинство данных о недрах планет получаются косвенно. Учёные используют гравитационное поле, магнитное поле, сейсмические волны, изменения вращения и другие измеряемые характеристики.
Приливная томография добавляет к этому набору ещё один способ.
Её преимущество состоит в возможности получать трёхмерную информацию о внутренней неоднородности без необходимости доставлять прибор непосредственно в исследуемую область.
Для Марса это особенно важно, поскольку бурение на глубины, необходимые для прямого изучения мантии, пока технически недоступно.
Что пока нельзя утверждать
Новость о горячей южной мантии Марса легко превратить в несколько более сильных утверждений, чем позволяет исследование.
Во-первых, учёные не измерили температуру мантии непосредственно. Диапазон 200–400 градусов Цельсия — это вывод модели, основанный на гравитационных данных и зависимости механических свойств мантии от температуры.
Во-вторых, исследование не установило окончательную причину тепловой аномалии. Рассматриваются несколько вариантов, и ни один из них пока не признан доказанным.
В-третьих, наличие горячей мантии не означает, что под южным полюсом находится гигантский резервуар жидкой магмы. Возможное плавление может быть локальным, а характер расплава ещё предстоит установить.
В-четвёртых, новая работа не доказывает, что именно тепловая аномалия создала различия между северным и южным полушариями. Она показывает связь между поверхностной дихотомией и неоднородностью мантии, но причинно-следственная последовательность остаётся предметом дальнейших исследований.
Какие наблюдения помогут проверить результат
Электромагнитные измерения
Одним из способов проверить наличие расплава в мантии могут стать электромагнитные измерения.
Расплавленные и частично расплавленные области отличаются по электропроводности от преимущественно твёрдых пород.
Поэтому будущий аппарат с подходящими приборами мог бы искать признаки локальных очагов расплава или более протяжённой расплавленной области.
Такие данные помогли бы определить, действительно ли высокая температура привела к частичному плавлению мантии.
Новые гравитационные измерения
Дополнительные орбитальные миссии позволили бы повысить точность карты гравитационного поля Марса.
Особенно ценными были бы длительные наблюдения, позволяющие лучше отделить различные источники гравитационных изменений.
Чем точнее будет измерено сезонное изменение гравитационного поля, тем надёжнее можно будет определить внутренние механические свойства планеты.
Новые сейсмические наблюдения
Сейсмология остаётся ещё одним важным инструментом.
Один посадочный аппарат InSight уже продемонстрировал, насколько много информации о внутренностях Марса можно получить по марсотрясениям.
Сеть сейсмометров в разных районах планеты дала бы гораздо более подробную картину распространения волн и их затухания.
Это позволило бы независимо проверить наличие температурных различий между северной и южной частью мантии.
Марс может хранить память о событиях первых миллиардов лет
Самое интересное следствие открытия заключается в том, что современная внутренняя структура Марса может быть своеобразным «архивом» его древней истории.
На поверхности планеты сохранились следы древних столкновений, вулканической активности и воздействия воды.
Теперь появляется свидетельство того, что и в мантии могли сохраниться крупномасштабные различия, возникшие или закрепившиеся миллиарды лет назад.
Если тепловая аномалия действительно сохраняется с древних эпох, она может помочь установить последовательность событий, которые сформировали современный Марс.
В таком случае изучение нынешней температуры мантии становится способом исследовать не только сегодняшнее состояние планеты, но и процессы её далёкого прошлого.
Новая картина внутреннего Марса
Полученные результаты показывают, что знаменитое различие между двумя полушариями Марса может быть гораздо глубже, чем кажется при взгляде на карту поверхности.
Северная часть планеты покрыта низменностями, южная — более высокими и древними территориями. Средняя толщина коры также различается. В южных высокогорьях обнаружены особенности магнитизации, а сейсмические волны затухают иначе, чем на севере.
Теперь к этому списку добавляется ещё один признак: модель гравитационных изменений указывает на различие механических свойств мантии, которое можно объяснить температурной разницей примерно в 200–400 градусов Цельсия.
Исследование не показывает, что внутри Марса существует гигантское море расплавленной породы. Оно указывает на более горячую мантию под южными высокогорьями и допускает локальное частичное плавление.
Причина аномалии пока не установлена. Среди рассматриваемых вариантов — древнее гигантское столкновение, длительное движение горячего вещества в мантии и теплоизоляция, создаваемая более толстой южной корой. Возможно также, что несколько процессов действовали одновременно на разных этапах истории планеты.
Особенно важно, что новый результат согласуется с другими особенностями Марса: южными магнитными аномалиями и более быстрым затуханием сейсмических волн. Это не превращает гипотезу о горячей мантии в окончательно доказанный факт, но делает её проверяемым объяснением целого комплекса наблюдений.
В конечном итоге исследование показывает, насколько много информации о недрах планеты можно получить без непосредственного доступа к ним. Многолетние измерения движения космических аппаратов, небольшие изменения гравитационного поля и физические модели позволяют восстановить особенности мантии, находящейся глубоко под поверхностью. Для Марса это открывает новый способ изучения происхождения его необычной северо-южной дихотомии и процессов, которые определяли развитие планеты на протяжении миллиардов лет.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
