За допомогою сейсмографа SEIS, який на Марс привіз апарат InSight, а також почутого ним сейсмічного шуму, дослідникам вдалося створити детальну схему будови приповерхневих шарів Марса. Виявилося, що під шаром реголіту і крупнозернистої брекчії аж до глибини в 200 метрів залягають два розділені осадовими породами великі шари базальту. Як геофізики визначили марсіанські структури на глибині від кількох десятків до кількох сотень метрів, вони повідомили у Nature Communications.
NASA / JPL-Caltech
З чого побудований Марс?
Марс був метою великої кількості місій з дослідження планет, і понад 30 років космічні станції облітають його, залишаються на його орбіті, а ровери їздять його поверхнею. Це принесло нам безліч знань про планету і Марс є однією з небагатьох, з будовою та еволюцією якої вчені зійшлися у висновках. Ми знаємо, що Марс має силікатну кору та мантію, а також багате залізом та нікелем ядро, яке вони оточують. Місія НАСА InSight – перша, спеціально націлена на те, щоб допомогти вченим розібратися з підповерхневими шарами Марса, і яка робить це, спираючись на його сейсмічну активність.
Місія InSight зі своїм сейсмометром SEIS досліджує марсотруси з початку 2019 року, а за ними дає змогу зробити висновки про внутрішню структуру Марса у всіх масштабах.
Нещодавно InSight допомогла розібратися з внутрішньою структурою Марса — завдяки сейсмоактивності вчені оцінили товщину кори від 24 до 38 кілометрів, а ядро приблизно у 1830 кілометрів.
Цього разу американські і швейцарські дослідники вирішили використати зафіксований нею фоновий сейсмічний шум, щоб досліджувати неглибокі підповерхневі шари навколо місця посадки InSight, які досі обмежувалися глибиною всього у 10-20 метрів. В результаті структури на глибині від декількох десятків до кількох сотень метрів залишаються незвіданими, хоча докладні моделі поверхневих шарів можуть допомогти у розумінні процесів, які сформували і власне саму рівнину Елізій, і тектонічної еволюції всього Марсу.
Сейсмограф SEIS, що працює у рівнині Елізій. NASA / JPL-Caltech
Чим допоможе фоновий шум?
Фоновий сейсмічний шум Марса сильно відрізняється від земного, оскільки два основних джерела фонових сейсмічних коливань на Землі – океани та антропогенна активність – відсутні. Причому атмосфера планети набагато тонша, а сонячного випромінювання майже наполовину менше, що теж впливає на рівень сейсмічних коливань. На Марсі їх основним джерелом є взаємодія вітру з поверхнею, а марсотруси для таких детальних досліджень не підходять, оскільки є надто енергійними подіями.
Спостереження InSight показують, що мінімальний рівень сейсмічного шуму на Марсі становить від 0,05 до 5 герців, причому зі значно меншими амплітудами, ніж Землі. І при цьому варто враховувати, що у дані потрапляє шум від руху самої станції, яка постійно піддається впливу потужних марсіанських вітрів. Втім, протягом першого марсіанського року роботи InSight, вчені виявили тенденції у поривах вітру на планеті, а отже навчилися відрізняти «сейсмічний» вплив частин механічного посадкового модуля від власної активності планети.
Завдяки тому, що щоденний поривчастий вітер надвечір значно слабшає, особливо влітку, дослідники взялися за дані InSight за сім годин у ніч з 422 до 423 сола або земного 3 лютого 2020. На їхню думку, фіксовані вібрації навколишнього середовища складалися переважно з поверхневих хвиль, а отже залежали від локальних властивостей геологічного середовища і тому можуть допомогти розшифрувати будову підповерхневих шарів Марса.
Отриманий сейсмографом частотний спектр 3 лютого 2020. Cedric Schmelzbach et al. / Nature Communications, 2021
Який Марс не на глибині?
У своїй роботі дослідники застосували класичну для сейсмологів техніку аналізу кривих еліптичності хвиль Релея, і таким чином збудували схему структури Марса до глибини близько 200 метрів. Сама станція стоїть приблизно на трьох метрах піщаного дрібнозернистого реголіту, який потім переходить у крупнозернисту брекчію, яка вже на глибині 15 метрів з'єднується з корінною породою. За брекчією дослідники виявили базальтові породи, які віднесли до амазонійського періоду – приблизно 1,7 мільярда років марсіанської геологічної історії.
Далі вчені зафіксували несподіване зниження швидкості поширення хвиль на глибині від 30 до 75 метрів. Найімовірніше, там лежить осадовий шар, який утворився коли Марс переживав холодні та сухі умови, подібно до тих, що можна спостерігати зараз, але потім покрився новими вулканічними відкладеннями. Осадові породи в свою чергу лежать на гесперійських базальтах віком 3,6 мільярда років, які сягають глибини 175 метрів.
Вік базальтових порід під станцією вдалося оцінити з огляду на розподіл кратерів — кратери діаметром більше двох кілометрів набагато старші, ніж ті, які мають діаметр 200-700 метрів. Менший діаметр вказує на молодші зміни поверхні.
Інтерпретація отриманих розподілів швидкості сейсмічних хвиль, де (згори вниз) дослідники передбачають шар реголіту, амазонійські базальти, шар осадових порід, амазонійські і(або) гесперійські базальти, а також, імовірно, ще один шар осадових порід. Cedric Schmelzbach et al. / Nature Communications, 2021
Місія InSight вже третій рік працює на Марсі і приносить нам багато цікавих даних про нього. Лише унікальний (і єдиний на планеті) сейсмограф нещодавно зафіксував півторагодинний марсотрус, оцінив розмір марсіанського рідкого ядра приблизно у половину земного, а також викрив сліди нещодавнього вулканізму на планеті.