Обработка сейсмических шумов, зарегистрированных марсианской станцией InSight дозволила установить положение границ меж главными геосферами Марса. Так, толщина марсианской коры составляет 35 км, и сложена она андезитами и базальтами, отдалённо напоминая земную океаническую кору. Граница меж мантией и ядром находится на глубине 1600 км. Эти выводы согласуются с оценками внутренней структуры Марса, приобретенными иными независящими способами.
Роборука посадочного модуля InSight устанавливает сейсмометр под защитным кожухом, 2 февраля 2019 г. NASA/JPL-Caltech.
Посадочный модуль InSight NASA сделал высадку на Марс в районе нагорья Элизий в конце ноября 2018 года. Это автоматическая сейсмостанция, созданная для исследования внутреннего строения и сейсмической активности Марса. В конце 2018 — начале 2019 года были развёрнуты и начали работу главные научные инструменты станции: ударный зонд (бур) HP3 для измерения температуры и термического потока в марсианском грунте, сейсмограф SEIS французского галлактического агентства CNES, а также системa датчиков марсианской погоды APSS. За 18 месяцев InSight подтвердил приметную сейсмическую активность Марса и зарегистрировал около 200 сейсмических событий, а также установил неоднородность структуры марсианской коры. Ранее сейсмограф на Марсе работал лишь в рамках проектов Viking-1,2 в 1970-е годы.
Марсианский сейсмограф регистрирует сигналы весьма разной природы. Сейсмические толчки могут вызываться как фактически тектонической активностью на Марсе, так и ударом метеора, но не считая их устройство реагирует на шумы другого происхождения, включая марсианскую погоду, шумы аппарата и др. В апреле 2019 года InSight зафиксировал 1-ое «марсотрясение» — серию сейсмических толчков, источник которых находился в глубине планетки. Мысль новейшего исследования планетологов из Института Райса (Rice University) заключалась в использовании сейсмических «шумов» как источника для сейсморазведки глубинной структуры Марса. Работа с первыми плодами размещена в августе 2020 года в журнальчике Geophysical Research Letters.
О внутренней структуре Земли, прямо до её центра, мы судим, исходя из косвенных способов. Радиус Земли 6400 км, а сверхглубокие скважины имеют глубины не наиболее 10 км (Кольская сверхглубокая скважина — 13 км) и не добиваются даже верхних слоёв мантии. Представление о хим составе вещества снутри Земли можно получить, анализируя магматические породы, которые образуются при застывании магмы на глубине либо поблизости поверхности в итоге извержений вулканов.
Принцип сейсмотомографии и упрощённая модель внутренней структуры Земли.
Более информативным способом исследования является сейсмотомография — «просвечивание» Земли сейсмическими волнами от землетрясений и анализ сигналов сетью сейсмических станций на всех материках. Границы меж разными внутренними оболочками Земли (кора — мантия, мантия — ядро и т. д.) являются препятствием для всех видов сейсмических волн: волны отражаются от границ, преломляются на их, изменяя направление луча волны, либо в определённых конфигурациях — совершенно через эту границу не проходят. Так, одним из первых результатов с внедрением принципов сейсмотомографии в начале XX века (слово тогда ещё не употреблялось) было открытие наружного водянистого ядра Земли. Сейсмоволны распространяются в горных породах со скоростью несколько км/с (обычные значения — 5—8 км/с; это просто скорость звука в соответственном твёрдом теле). При землетрясении в какой-нибудь точке Земли через некое время волны от него можно будет зарегистрировать на сейсмографах по всему земному шару. Сейсмологи увидели, что для 1-го из типов упругих волн — поперечных волн, либо S-волн, на иной стороне земного шара существует «мёртвая зона», начиная с азимута 105°, куда они не доходят (как видно на схеме). S-волны распространяются лишь в твёрдых телах, но не в жидкостях и газах, потому таковая зона и послужила первым указанием на жидкое ядро Земли с границей на глубине около 2900 км. Продольные и поперечные сейсмические волны (P- и S-волны). Обычной тригонометрический расчёт по рисунку из этих данных даёт 2500 км: разумеется, это 1-ое приближение без учёта искривления луча с глубиной. Последующие приближения должны учитывать искривление линии движения луча из-за того, что давление с глубиной увеличивается, породы стают наиболее плотными и скорость распространения звука изменяется; а модель конфигурации скорости с глубиной в свою очередь можно получить… по искривлению линии движения луча на предшествующей итерации. Все эти итерации дают примерную картину трудности решения оборотной задачки сейсмоакустики, другими словами реконструкции внутреннего строения Земли как чёрного ящика по данным от сети сейсмостанций.
На Марсе нет либо практически нет тектоники литосферных плит, как на Земле, потому там происходит не достаточно землетрясений (марсотрясений). Не считая того, непонятно, делится ли марсианское ядро на водянистую внешнюю часть и твёрдую внутреннюю, как на Земле. С одной стороны, на Марсе практически нет магнитного поля, другими словами не действует механизм магнитного геодинамо, в случае Земли связанный с водянистым наружным ядром. С иной стороны — гравитационный «отклик», к примеру, измеряемый по воззванию спутников Марса, показывает на существование водянистой составляющие ядра (грубо это можно представить для себя как различное поведение сырого и варёного яичка, если их раскрутить как волчок). Тем не наименее внутренняя структура каменных планет обязана быть идентичной в силу схожих критерий образования: так, ожидается, что верхний слой планетки составляет сравнимо узкая кора шириной в 10-ки км, под которой размещается мантия, тоже из силикатных пород, но другого состава, и, в конце концов, самая внутренняя часть планетки радиусом 1—2 тыс. км обязана быть занята железным ядром (на Земле оно — железно-никелевое). Границы меж оболочками должны, как и на Земле, проявляться при их трассировании сейсмическими волнами.
«Марсотрясение» и распространение сейсмических волн. NASA/JPL-Caltech/ETH Zurich/ Van Driel.
Толщину марсианской коры и радиус ядра уже определяли, исходя из различных моделей, и эти расчёты давали сопоставимые результаты. К примеру, исследуя маленькие смещения оси вращения Марса (прецессию и нутацию) с орбитальных аппаратов, можно оценить момент инерции планетки, указывающий на распределение массы по глубине, и из этого найти глубину до наиболее тяжёлого ядра. На данный момент данные станции InSight стали первыми прямыми измерениями, давшими опорные точки для уточнения этих моделей.
На Марсе в распоряжении планетологов пока находится лишь одна станция. Зарегистрированное сейсмическое событие не с чем сопоставлять, а истинные марсотрясения происходят еще пореже, чем на Земле. Если б можно было пользоваться ещё хоть одним сейсмографом в иной точке Марса, информативность таковой «сети» была бы несравненно больше. Сопоставляя времена прихода сигналов на обе станции, уже можно пеленговать их источники и определять характеристики пород по пути распространения сигналов — решать оборотную задачку сейсмотомографии. Тут геодезисты либо туристы могут уточнить, что для этого необходимо бы минимум три станции — как для GPS, но у нас всё равно и двух-то нет. На Луне «Аполлоны» развернули минисеть из 5 сейсмографов в различных точках, но построение трёхмерной модели внутреннего строения Марса по одной станции припоминает трюк Мюнхгаузена по вытягиванию себя за волосы из болота.
Пример автокоррелограммы сейсмосигнала (справа) с выявленными отражающими границами снутри планетки; слева — разные модели конфигурации скорости упругих волн с глубиной. Deng S., Levander A., Geophysical Research Letters, 47 (2020) .
Ординарную сейсмотомографию Марса на одном приборе оказалось вероятным выполнить, анализируя сейсмические данные за 2019 год с внедрением методики автокорреляции наружного шума (акустических шумов окружающей среды). Источником сейсмических волн выступают фактически любые довольно мощные возмущения, к примеру, вибрация от работающей аппаратуры станции. Волны распространяются вглубь через марсианские породы, отражаются на внутренних геологических границах и через несколько 10-ов секунд опять попадают на сейсмоприёмник. При всем этом отражённый сигнал приблизительно сохранит форму начального импульса, и по этому признаку его можно выделить, определив время прохождения определенного возмущения. Техника автокорреляции — это вычисление корреляции сигнала X(t) с этим же сигналом с неким сдвигом по времени X(t+T). Другими словами отрезок на временной развёртке сигнала сопоставляется с таковым же отрезком, но через время T. Если успешно подобрать временной сдвиг T, выбрав его равным времени прохождения волны вниз до отражающей границы в земле и вспять до сейсмоприёмника, то две «копии» сигнала будут схожими, и их корреляция — высочайшей. Если же два сигнала будут никак не связанными, то корреляция будет фактически нулевой. Перебирая различные значения T, можно получить «всплески» автокорреляционной функции при неких из их — это и будут времена прохождения волн, отражённых от разных границ меж внутренними оболочками Марса. Сейчас, если знать скорость распространения сейсмической волны, можно отыскать и глубину залегания геологической границы. А для скоростей звука в марсианских породах мы располагаем некими правдоподобными моделями, приобретенными из различных геофизических данных и из сравнения с подобными породами на Земле.
Модель внутренних оболочек Марса. Deng S., Levander A., GRL, 47 (2020) .
Восстановленные сейсмограммы шумовых автокорреляций дозволили уверенно выделить несколько отражающих границ. Их интерпретация опирается на надлежащие поверхности раздела во внутренней структуре Земли и не полностью однозначна. Так, два чётких отклика сейсмограмм на частотах 0,6—3 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) соответствуют неглубоким границам с периодически прихода отражённой сейсмоволны 11,5 и 21 секунда. На соответственных глубинах обязана размещаться граница меж земной корой и мантией. Это была одна из первых установленных в начале XX века базовых геофизических границ, именуемая поверхностью Мохоровичича, либо просто Moho. Глубина поверхности Moho в Европе и Атлантическом океане. При её прохождении наблюдается скачок упругих параметров пород (резкое повышение скорости звука, для P-волн на Земле приблизительно с 7 до 8 км/сек), также предполагается изменение хим состава силикатов. Согласно сиим данным InSight, на Марсе в точке нахождения станции она размещается на глубине 35 км (либо 68 км по иной интерпретации). На Земле её глубина залегания меняется от 70 км под материками до ~10 км под узкой океанической корой. По соотношению скоростей продольных и поперечных сейсмических волн также можно прийти к выводу, что марсианская кора сложена андезитами и базальтами — на Земле это больше похоже на базальтовый слой океанической коры с андезитовым материалом островных дуг.
Наиболее глубочайшие поверхности раздела марсианских геосфер трассируются при выделении наиболее низкочастотных колебаний 0,05—0,2 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ): волны с большей длиной волны попадают поглубже. Надлежащие времена прохождения волны составляют 280 и 375 секунд, другими словами относятся уже к глубинным геосферам. 1-ая граница определена на глубине 1110—1170 км под местом нахождения бота. Это очевидно внутримантийный раздел, и, может быть, она соответствует границе геохимического перехода оливин-вадслеит. На Земле эту границу ещё именуют «граница 410» по её глубине залегания. Оливин — распространённый минерал пород мантии. Оливин — это распространённый силикатный минерал магматических пород, и его разновидность отлично известна под именованием хризолит. При критичном повышении давления и температуры с глубиной он перебегает в свою высокобарную модификацию — минерал вадслеит. Так как P-T-условия такового перехода известны, эта граница даёт реперную точку в глубине Земли либо Марса, в которой мы таковым образом знаем температуру и давление. На Марсе эта граница находится в трижды поглубже, чем «граница 410» на Земле, из-за того, что на Марсе значительно меньше сила тяготения и температура недр.
В конце концов, поверхность на глубине 1520—1600 км (375 сек) обязана соответствовать границе меж мантией и ядром, либо границе Гуттенберга. На Земле ниже неё находится жидкое наружное ядро, но в случае с Марсом пока что фазовое состояние ядра непонятно.
Мульт серии «Марс за 1 минутку» от Jet Propulsion Lab о станции InSight и исследовании внутреннего строения Марса.