Сейсмограф для Марса

Пятого мая этого года с базы Ванденберг ВВС США стартовал посадочный аппарат InSight, предназначенный для изучения внутренней структуры Марса. Аппарату предстояло преодолеть более 400 миллионов километров, разделяющих наши планеты. В свое время сообщалось, что InSight благополучно миновал половину пути, и вот уже совсем скоро, в понедельник, 26 ноября, состоится его посадка, намеченная на нагорье Элизиум в районе размером 130 на 27 километров. N + 1 уже подробно рассказывал о составе и предназначении инструментов, которые InSight несет на своем борту. В этом материале мы познакомим вас с тем, как устроены планеты земного типа «изнутри», чем геология Марса (и других планет Солнечной системы) отличается от земной и как ученые собираются ее изучать.

Марсофизика

Понятие «геофизика Марса» звучит довольно глупо, примерно как «гидродинамика газов», но науки «марсофизики» пока что не существует.

И с геофизикой, если честно, все тоже не очень радужно. Основная проблема с недрами планет заключается в том, что это недра. В определенном смысле мы знаем о Солнце, его эволюционном пути, его внутреннем устройстве, а также об эволюции других звезд гораздо больше, чем о том, что происходит прямо у нас под ногами. Нет возможности узнать, какие именно вещества в каких точных пропорциях составляют мантию и ядро Земли. И если с основными компонентами все более-менее ясно, то с элементами, доля которых невелика, ошибки наших оценок могут быть большими.

Несмотря на огромные температуры в недрах планеты, значительная часть её вещества имеет твердое фазовое состояние. Это вызвано тем, что давление на глубине достигает чудовищных величин, и температуры фазовых переходов смещаются. Более того, становятся возможными состояния и конфигурации кристаллических решеток, недостижимые в обычных условиях.

При этом твердая часть мантии планеты и ее ядра остается пластичной, что делает возможным деформации и течение вещества. Содержание разных легирующих элементов в веществе ядра и мантии определяет давление и температуру перехода фазовых состояний, в том числе переходов между разными кристаллическими фазами, а также пластичность и вязкость — без знания которых нельзя построить корректную математическую модель планеты.

Основным источником тепловой энергии всех планет всей земной группы является Солнце. Но, кроме Солнца, в энергетический баланс включается внутренний разогрев планеты из-за радиоактивного распада нестабильных изотопов, а также оседания более тяжелых элементов в ядро планеты (потенциальная энергия более тяжелых веществ по мере оседания переходит в тепловую). Доля внутреннего разогрева с каждым годом становится все ниже (понятное дело, период полураспада и все такое), в то время как излучение Солнца в этом отношении является более стабильным.

При прочих равных менее крупные планеты и их спутники имеют гораздо меньшую температуру. Объясняется это просто — количество выделяющейся внутри небесного тела энергии пропорционально кубу радиуса планеты, в то время как площадь излучающей поверхности — квадрату. Поэтому неудивительно, что малые планеты быстрее остывают и тектоническая активность на них практически отсутствует. Примером этого может послужить пара Земля — Луна, которые сформировались примерно в одно и то же время.

Мы выяснили, что ядро планет горячее, а поверхность планет — холодная. Образуется температурный градиент, и у планет есть два одновременно работающих механизма переноса тепла от ядра к поверхности: теплопроводность и конвекция. Профессор Владимир Жарков, сотрудник Института физики Земли имени Шмидта, в беседе с N + 1 сообщил, что, несмотря на твердое состояние мантии, в ней есть конвективные потоки, как бы парадоксально это ни звучало. Конвекция переносит тепло гораздо эффективнее, чем теплопроводность, но на интенсивность конвективных потоков очень сильно влияет вязкость мантии планеты, и если вязкость будет недостаточной, придется довольствоваться только теплопроводностью.

Живая тектоника плит

В плане геофизики Земля разительно отличается от других планет земной группы. На нашей планете геофизические явления объясняются главной на сегодняшней день теорией тектоники плит. Кора нашей планеты является не статичным образованием, а поверхностью, состоящей из нескольких колоссальных плит, находящихся в постоянном движении. Более того, у нашей планеты наблюдаются два типа коры — континентальная и океаническая, которые очень сильно различаются по своим свойствам и возрасту. Океаническая кора намного тоньше и ее возраст составляет не более 180 миллионов лет, так как она находится в постоянном обновлении, возникая у океанических хребтов и «заползая» в мантию под континенты. По океаническим хребтам проходят границы конвективных ячеек в мантии, и именно конвективное движение мантии «тянет» за собой кору планеты и двигает континенты.

Для того чтобы колоссальные части земной поверхности могли перемещаться, требуется астеносфера — верхний слой мантии с низкой вязкостью мантийного вещества, которая позволяет ей вовлекаться в конвективное движение и образовывать конвективные ячейки.

Все наблюдения свидетельствуют о том, что аналога земной тектоники плит на других планетах земной группы нет. Марс в тектоническом смысле слова «остыл». А на Венере, несмотря на большой размер планеты, отсутствует астеносфера — и кора планеты не перемещается. Из-за отсутствие астеносферы (точная причина этого отсутствия еще не найдена) в верхней мантии нет конвекции, механизм теплопереноса из недр к поверхности неэффективен — и поэтому тепловые процессы Венеры происходят циклично. Недра разогреваются все сильнее и сильнее (так как теплопроводность физически не может справиться с таким тепловым потоком), верхняя часть мантии начинает плавиться, после чего происходит планетарная катастрофа и накопившийся избыток тепла изливается на поверхность планеты огромными лавовыми потоками.

Меркурий же на фоне других планет земной группы очень резко выделяется огромным для своего размера ядром планеты и очень тонкой мантией. Учитывая большой эксцентриситет орбиты Меркурия, чем он также отличается от других планет, ученые предполагают, что в далеком прошлом молодой Меркурий испытал чудовищное столкновение с другим небесным телом и после этого столкновения потерял значительную часть своей мантии и деформировал орбиту.

Помимо стабильных конвективных ячеек, для образования которых требуется мантия с низкой вязкостью, существуют также мантийные плюмы — колоссальные «пузыри» разогретого мантийного вещества, которые «всплывают» на поверхность планеты и растекаются под ее корой. Плюмы, в отличие от стабильных конвективных ячеек, не требуют астеносферы и слоев мантии с низкой вязкостью, поэтому они присутствуют на всех планетах.

Мантийный плюм нашей планеты, находящийся под океанической корой, приводит к формированию цепочек вулканических островов. Если же плюм поднимается под толстой континентальной корой, это приводит к образованию супервулканов, а также может являться возможной причиной трапповых извержений — колоссальных катастроф, когда на поверхность планеты изливаются сотни тысяч кубических километров расплавленных пород. Именно с извержением траппов связывают массовые вымирания, которые происходили в биологической истории нашей планеты.

Марсосейсмология

Марс и другие планеты довольно трудно изучать традиционными для Земли методами. Определение четких границ перехода между слоями мантии и коры сейсмическими волнами затруднено тем, что на других планетах нет возможности эти сейсмические волны вызвать и пронаблюдать во множестве точек одновременно. Приходится полагаться на падающие на поверхность планеты метеориты, удар которых вызывает сейсмические волны. Изучению строения Земли, кстати, поспособствовали многочисленные ядерные испытания в ходе Холодной Войны.

Среди тел Солнечной системы, кроме нашей планеты, подробнее всего с точки зрения геофизики была исследована Луна. В ходе лунных миссий на ней было размещено множество сейсмографов, а отсутствие атмосферы делает их работу максимально защищенной от помех. Первый сейсмограф был установлен миссией «Аполлон-11», и по результатам его работы у Луны обнаружилось жидкое ядро, а также сейсмическая активность. Начиная с «Аполлона-12», сейсмические исследования Луны стали непрерывными. Более того, учёные смогли самостоятельно вызвать сейсмические волны — «уронив» на наш спутник отработанный лунный модуль «Аполлона-12» на скорости в 1,7 километров в  секунду. После этого удара, сопоставимого со взрывом тонны тротила, Луну трясло целый час — оказалось, что сейсмические колебания на Луне затухают очень медленно. Это связывают с отсутствием слоев с жидкой водой, которые на Земле выступают в качестве демпфера для сейсмических колебаний.
Значительная часть сейсмических событий Луны вызвана ударами метеоритов, а также воздействием приливных сил со стороны Земли и Солнца., но есть и события, которые являются результатом сброса механического напряжения в лунной тверди. Луна медленно остывает, и процесс охлаждения приводит к появлению напряжений — поэтому подобных встрясок можно ожидать и на других планетах, даже если тектоники плит на них не наблюдается. Такие лунотрясения происходят с частотой 5-6 раз в год.

Но с сейсмическими исследованием других планет все обстоит намного печальнее. Они намного дальше Луны, а условия работы на них куда как менее комфортны: например, Меркурий испытывает огромные суточные температурные перепады в 600 градусов. На Венере таких перепадов нет, но «дружественная атмосфера» в виде горячей серной кислоты под давлением делает работу любого посадочного модуля по-настоящему героической — и очень недолгой. Поэтому именно Марс является самой удобной целью для геофизических и иных исследований.

Изучение сейсмической активности на Марсе начались более 40 лет назад — на первой же исследовательской станции «Викинг-1», спускаемый аппарат которой шесть лет работал на планете, был установлен сейсмограф. И за год работы в ходе нескольких наблюдений среди сейсмограмм, связанных с ветром (шатающим аппарат), была выделена одна, которая точно соответствует самому настоящему марсотрясению.

Помимо сейсмических исследований, внутреннее строение планет можно увидеть с помощью «рентгена» длинными радиоволнами. Точность таких измерений нельзя назвать высокой, но именно благодаря им в этом году аппарату MARSIS удалось открыть подледное озеро на Красной Планете.

Теоретики предполагают, что в давние времена на Марсе было магнитное поле, а недавние исследования показывают, что и у Марса когда-то была тектоника плит. Но планета остыла, вязкость мантии увеличилась, и движение плит практически прекратилось. 

Крупнейший вулкан на Марсе (а также по совместительству самая высокая гора в Солнечной системе) — это Олимп. Нигде в Солнечной системе не наблюдается столь высоких (26 км) и широких (более 500 км в поперечнике) вулканов. Он расположен на крупной марсианской вулканической провинции Фарсида, которая, скорее всего, образовалась над крупным мантийным плюмом. Активность этого вулкана прекратилась давным-давно. Но, с другой стороны, есть косвенные данные о том, что последние лавовые потоки на Олимпе произошли в пределах двух миллионов лет — что по геологическим масштабам совсем немного. Такой срок устанавливается по количеству метеоритных кратеров на поверхности застывших лавовых потоков. Во время извержений эта поверхность очищается. Но эти измерения косвенные, и всецело полагаться на них не стоит.

Миссия InSight должна прояснить множество внутренних загадок Красной Планеты. Во-первых, аппарат должен пробурить пять метров марсианской поверхности, чтобы замерить температуру планеты. На такой глубине влияние суточных колебаний температуры перестает проявляться, и по ней можно будет косвенно определить, насколько большой тепловой поток исходит из марсианских недр.

Во-вторых, аппарат должен установить сейсмограф, точность которого на порядки превосходит чувствительность предыдущих приборов. Сейсмограф будет установлен отдельно от спускаемого аппарата, что должно снизить количество ложных наблюдений, связанных с воздействием ветра, а также количество шумов. Помимо грядущих марсотрясений, сейсмограф будет улавливать волны от удары метеоритов по поверхности Марса, что позволит более точно определить границы между слоями мантии, корой и ядром планеты.

И хотя сама научная миссия посвящена именно исследованию Марса, результаты этого исследования прольют свет на геофизику всех планет земной группы, включая нашу, а также поможет в составлении математических моделей возможных геофизических процессов на экзопланетах.

Сергей Иванов