Состав Марса
Тысячелетиями люди с ужасом и благоговением наблюдали за Красной планетой. Ее сияние удавалось разглядеть без использования телескопов, поэтому о существовании знали давно. Но углубленные знания мы получили лишь при отправке космических миссий.
Структура и состав Марса
Марс относится к планетам земной группы, повторяя структуру Земли, поэтому наблюдается дифференциация, то есть наличие слоев, где плотные материалы группируются возле центра. Ядро охватывает примерно 1700-1850 км и представлено серой, железом и никелем. Можете изучить состав и строение Марса на фото.
Сравнение строения Земли и Марса
Вокруг Марса расположена силикатная мантия, которая ранее могла похвастаться тектонической и вулканической подвижностью. В коре присутствует магний, железо, кремний, кислород, кальций, алюминий и калий. Красный оттенок появляется из-за окислительного процесса железной пыли.
Магнетизм и геологическая активность
Марсианское ядро по большей части плотное и лишено движения. Из-за этого планета не обладает сплошным магнитным полем и вынуждена принимать огромное количество космических лучей. Но модели показывают, что древний Марс обладал магнитным полем, так как остались намагниченные территории.
Полеомагнетизм минералов напоминает магнитные поля, замеченные на некоторых океанических земных поверхностях. После этого возникла идея, что у Марса была тектоническая активность, прекратившаяся 4 миллиардов лет назад.
Внутреннее строение Марса
Мантия также лишена тектонической активности, поэтому не может деформироваться или поучаствовать в вырывании углерода из атмосферы. Средняя толщина коры – 50 км, но может достигать и 125 км. Представлена базальтом, выплеснутым при вулканической активности миллиарды лет назад.
Формирование и эволюция
Большая часть состава Марса основывается на расстоянии от Солнца. Элементы с низкими показателями температуры кипения (хлор, сера и фосфор) чаще попадаются на Красной планете, чем у нас. Поэтому считают, что они удалились из ближайших к Солнцу районов ветрами.
Северо-Полярный бассейн – крупная синяя территория в северной части топографической марсианской карты
Кратерным образованиям удалось хорошо сохраниться из-за медленного процесса эрозии. Равнина Эллады считается крупнейшим кратером, простирающимся на 2300 км и на 9 км в глубину.
Считают, что наиболее масштабное событие случилось в северном полушарии. Это Северный Полярный бассейн с параметрами 10600 км на 8500 км. Скорее всего, в эту территорию врезалось тело, которое по размерам походило на Плутон. Ниже расписан состав поверхности Марса по химическим элементам.
Состав поверхности Марса
Также отмечают процесс остывания планеты, что могло произойти из-за остановки конвекции внутри внешнего ядра. Это привело к исчезновению магнитного поля.
Поверхность Марса располагает каналами и оврагами, по которым раньше могла течь вода. По крайней мере, частично сформировались от водной эрозии. Некоторые охватывают 2000 км в длину и 100 км в ширину.
Как устроен Марс внутри?
Первое в истории сейсмическое исследование Марса позволило изучить его внутреннее строение.
Используя данные, полученные в результате регистрации сейсмометром SEIS, разработанным во Франции, более десяти землетрясений на Марсе, международная группа исследователей миссии NASA InSight сумела получить много новой информации о структуре планеты. Сразу три статьи [1, 2, 3], опубликованные 23 июля 2021 года в журнале Science, впервые дают оценку размера ядра планеты, толщины ее коры и структуры мантии на основе анализа отраженных и модифицированных сейсмических волн.
До этого о внутренней структуре Марса была известно немного. Строение Земли во многом было изучено благодаря сейсмологии – изучению прохождения упругих волн, возникающих при землетрясениях и взрывах, сквозь земные породы. На Марсе до миссии NASA InSight такой возможности не было. Модели основывались только на анализе спутниковых гравиметрических и топографических данных, значений момента инерции и плотности планеты. Исходя из этого, толщина земной коры оценивалась от 30 до 100 км, а радиус ядра от 1 400 до 2 000 км. Однако детальное внутреннее строение Марса и глубина границ между корой, мантией и ядром были совершенно неизвестны.
После успешного развертывания эксперимента SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure – Сейсмический эксперимент для внутренней структуры) на поверхности Марса в начале 2019 года ситуация изменилась. С этого момента исследователям удалось собрать и проанализировать сейсмические данные за один марсианский год (почти два земных года).
Следует отметить, что для сейсмических исследований обычно требуется более одной станции. Они нужны для того, чтобы запеленговать местоположение источника волн, а затем определить расстояние до него. Однако на Марсе у планетологов в наличии есть только одна станция. Поэтому им было необходимо отыскать в сейсмических записях характерные особенности волн, которые по-разному взаимодействовали с внутренними структурами Марса. Эти волны аналогичны звукам голосов в горах, которые производят эхо. Именно эхо, отраженное от ядра, или на границе кора-мантия, или даже от поверхности Марса, ученые и искали в сигнале по его сходству с прямыми волнами. Эти измерения в сочетании с минералогическим и тепловым моделированием внутренней структуры планеты позволили вести исследования даже с единственной станцией. Разработанный метод открывает новую эру в планетарной сейсмологии.
Еще одна трудность на Марсе – малое количество и слабость его землетрясений, магнитуда менее 3,5. На Земле землетрясения происходят чаще и они намного сильнее (за год происходит более 100 землетрясений с магнитудой свыше 6,0). При этом измерениям мешает сейсмический шум, создаваемый ветрами на Марсе и деформациями пород при быстрых изменениях температуры. Так что получаемые данные приходилось тщательно очищать от подобных помех. Тем не менее, очень высокая чувствительность датчика в сочетании с очень низким уровнем шума в сумерках позволила исследователям сделать открытия, которые, как считалось ранее, были возможны только при землетрясениях с магнитудой более 4.
Международная команда ежедневно регистрировала сейсмические события, которых к настоящему времени набралось свыше 600, из них более 60 были вызваны относительно удаленными землетрясениями. Около десяти последних содержат информацию о глубинном строении планеты.
Изучая поведение сейсмических волн, проходящих сквозь кору планеты к датчику, планетологи обнаружили в ней несколько разломов. Первый, наблюдаемый на глубине около 10 км, отмечает границу между сильно измененной структурой, возникшей в результате давней циркуляции жидкости и незначительно изменённой корой. Второй разрыв сплошности – на глубине около 20 км и третий, менее выраженный, – на глубине около 35 км. Вероятно, кора Марса имеет толщину от 24 до 72 км с очень глубокой литосферой, близкой к 500 километрам.
Во втором исследовании ученые изучали мантию Марса, они проанализировали разницу между временем прохождения прямых волн, возникших непосредственно во время землетрясения, и волн, возникших при их отражении от её поверхности. Эти различия позволили, используя только одну станцию, определить структуру верхней мантии и, в частности, изменение сейсмических скоростей с глубиной. Поскольку такие изменения скорости связаны с температурой, они позволяют оценить тепловой поток Марса, который, вероятно, в три-пять раз ниже, чем у Земли, и наложить ограничения на состав марсианской коры, которая, вероятно, сильно обогащена радиоактивными элементами, которые помогают нагревать её. Считается, что кора Марса содержит более половины тепловыделяющих радиоактивных элементов, имеющихся у планеты.
Наконец, в третьем исследовании планетологи искали волны, отраженные от поверхности ядра Марса, измерение радиуса которого стало одним из главных достижений миссии InSight. Сложность работы заключалась в низких амплитудах отраженных волн. Для определения характеристик внутренней структуры планеты учёные протестировали несколько тысяч моделей мантии и ядра, сравнивая возможные сигналы от них с наблюдаемыми. Ядро оказалось большим, радиусом от 1790 км до 1870 км, со средней плотностью от 5,7 до 6,3 грамма на кубический сантиметр. Это подразумевает присутствие значительного количества легких элементов, растворенных в железо-никелевом жидком ядре, и имеет серьезные последствия для минералогии мантии на границе раздела с ядром.
Это исследование позволит сделать большой шаг в понимании формирования и эволюции Марса, поскольку ключ к разгадке геологической истории планеты содержится в ее внутренней структуре, особенно в ее ядре. Одновременно оно породило и новые вопросы, например, является ли изменение верхних 10 км коры общепланетарным или оно ограничивается зоной посадки InSight? Какое влияние эти первые исследования окажут на теории формирования и тепловой эволюции Марса, особенно в течение первых 500 миллионов лет, когда на поверхности Марса была жидкая вода и интенсивная вулканическая активность?
По материалам Institut de Physique du Globe de Paris
Марс в разрезе: внутреннее строение, геологическая эволюция и состав
Исследования Марса в космическую эру орбитальными станциями и марсоходами, по-настоящему осветили более глубокие загадки планеты. Много знаний ученые получили о строении планеты, ее поверхности, истории и многих сходствах с Землей. Нигде это не проявилось так явно, как в структуре самой планеты.
Формирование и эволюция планеты
Внутреннее строение планет формировалось из облака пыли и газа вокруг Солнца. Со временем произошло образование Марса и Земли, а также других небесных тел. Микроскопические частички тянулись друг к другу, слипались в комки, росли, уплотнялись, формировали зародыши миров — планетезимали. Их диаметр не превышал тысячи километров. Уплотнение сопровождалось ростом температуры в глубине объекта. Металлы, как самые тяжелые, собирались в центре и плавились. Среди них были радиоактивные, их распад также разогревал недра. Крупицы продолжали притягиваться к новому объекту под влиянием его гравитации. Так возникли тела покрупнее — протопланеты. В них металлы отделились от легких силикатов: получились ядро и мантия, обычные для объектов земного типа.
Ученые считают, что Марс первым завершил этап раннего развития среди соседей по внутренней части Солнечной системы. На это, по разным оценкам, ушли миллионы лет, от нескольких до 60. На растущей протопланете смещались тектонические плиты, через жерла древних вулканов извергалась лава. Потом вещество начало остывать, шла его частичная кристаллизация. Строение планеты уже было заложено, кардинально оно не менялось.
Дальнейшую геологическую историю делят на три эры, названия которых образованы от наименований трех районов — земли Ноя, а также двух плато, Гесперид и Амазонии.
Каждому временному отрезку присущи черты этих регионов.
Внутреннее строение Марса
По строению Марс походит на колыбель человечества.
Несмотря на сходные общие характеристики, особенности строения Марса отличаются от земных. При меньшем вдвое планетарном диаметре кора в 2—2,2 раза толще. Тяготение втрое ниже, масса Марса меньше почти в 10 раз, а поверхность Марса примерно равна по площади земной суши.
Химический состав
Схожая с земной структура планеты не подразумевает, что идентичен и ее послойный состав. Это оттого, что в самом начале существования светила солнечный ветер отнес легкоплавкие атомы подальше от центральных областей. На четвертой орбите от Солнца тепла меньше, нежели на предыдущих, что сказывается на распространенности элементов.
Сердцевина из железа, его сульфида и небольшого количества никеля и кобальта. Причем легких элементов вдвое больше, чем в нашем ядре. Повышенная доля серы означает, что сплав, в основном, закристаллизовался.
В мантии преобладает кремний. Габариты и сила притяжения отличаются от земных в меньшую сторону, поэтому внутреннее магматическое давление ниже, а минералов формируется меньше. Глубочайший пласт содержит смесь окислов магния и двухвалентного железа. Второй — сложные оксиды алюминия и магния, последний также присутствует в форме силикатов. В третий помимо упомянутых соединений входят оксиды калия, натрия, кальция, хрома и фосфора.
Частицы грунта, состоящего из кремнезема и оксидов металлов, которые образуются на поверхности, позволили понять, из чего состоит планета. Найдены перхлораты, органика отсутствует. В коре много кремния, связанного кислорода и металлов. Алюминий и железо лидируют по содержанию. Имеются еще кальций, натрий, калий и магний. Геологи утверждают, что высока вероятность обнаружения металлических руд, содержащих как распространенные, так и редкие элементы. Выбросы диоксида серы и сероводорода привели к формированию залежей сульфатов. В поверхностной пыли и скалах найдены карбонаты, в южных нагорьях — хлориды. Окислы трехвалентного железа окрашивают почву в цвет ржавчины. Была жидкая вода, но теперь остался лед сверху, в приполярных широтах, и в областях вечной мерзлоты, что простираются вглубь на десятки и даже сотни метров.
Ученые сумели выявить особенности соотношения химических компонентов, изучив метеориты, анализируя сведения от наземных и космических телескопов, исследовав пробы, взятые спускаемыми аппаратами.
Магнетизм и геологическая деятельность
Ядро неподвижно, поэтому напряженность магнитного поля чрезвычайно низкая и непостоянная. В отдельных зонах — их немало в южном полушарии — обнаружен остаточный магнетизм. Это говорит о наличии стабильного поля в былые времена, может, в раннюю нойскую эпоху. Намагниченные территории напоминают полосовые аномалии вдоль горных хребтов на дне наших океанов. Предполагают, что очень давно полюса поменялись местами.
Мантия тоже неактивна: вулканизма и подвижек нет, хотя полосы намагниченности свидетельствуют о скольжении литосферных плит в прошлом. Присутствие воды делало блоки подвижнее, а из-за обезвоживания литосфера стала толще и прочнее, препятствуя смещениям.
Разработана теория, которая пытается объяснить перемены климата, снижение температуры в ядре с последующей остановкой движения вещества и смену полярности. Возможно, в этом повинен гигантский астероид в сотни километров в поперечнике. Он приблизился и вначале своим гравитационным воздействием мешал центру остыть и затвердеть. Гравитация провоцировала приливы металлического расплава, за счет этого планетарное динамо работало и создавало поле. Мантия при этом охлаждает восходящие горячие потоки, помогая перемешиванию материи. Подойдя чересчур близко, каменный пришелец разрушился, обломки упали, кинетическая энергия от столкновения вызвала перегрев магмы, а взаимное перемещение слоев разной степени нагрева прекратилось. Железная сердцевина частично отвердела, глубинные процессы замедлились. По другой гипотезе, для остывания не требовалось внешних причин: хватило малых линейных размеров.
Для детального изучения планеты в мае 2018 года отправлен аппарат InSight, способный уловить малейшие колебания магмы и магнитного поля.
Знать устройство соседнего мира нужно для прогресса науки. Это пригодится, если мы отправим людей на Марс. Сравнение Марса и Земли придает нам уверенность и обеспечивает надежный старт для покорения межзвездного пространства: Вселенная становится понятнее, мечты о — реальнее.
Коротко о планете Марс
Марс — четвертая планета от Солнца. Она вдвое меньше Земли по размеру и примерно в десять раз меньше по массе. По величине Марс занимает седьмое, предпоследнее, место в Солнечной системе, меньше него только Меркурий.
Сила тяжести на Марсе в три раза меньше земной, и человек на нем мог бы подпрыгивать в высоту на 3—4 м. Сутки на Марсе длятся почти как на Земле, а вот год состоит из 669 суток — почти в два раза дольше, чем земной год. Марс — самая дальняя каменная планета нашей системы: расстояние от Солнца — 228 000 000 км (1,524 а. е.). За ней следуют газовые гиганты. Основной химический состав атмосферы: углекислый газ — 95,32%, азот — 2,7%, аргон — 1,6%, кислород — 0,13%.
Если следовать на виртуальном корабле от Солнца к самым окраинам нашей системы, то Марс — последняя планета земной группы.
Внутреннее строение Марса
Внутреннее строение Марса таково: поверхностная кора со средней толщиной 50 км (максимальная толщина — 125 км), мантия из силикатных пород, железное ядро радиусом 1500—1800 км.
Судьба планеты с остывшим ядром
На примере Марса можно наглядно представить, что будет с планетой, если ее ядро прекратит свое вращение. Ученые считают, что когда-то, примерно 4 млрд лет назад, внутри Марса вращалось большое ядро, как у Земли. Однако со временем оно остыло и остановилось. Электромагнитное поле планеты исчезло. Почти всю бывшую на Марсе атмосферу унес солнечный ветер, а его поверхность начала испепелять смертоносная солнечная радиация.
Зонд показал, что находится внутри Марса
Опубликованы новые подробности о коре, мантии и расплавленном ядре Красной планеты.
Ученые впервые узнали о том, из чего состоят кора и мантия Марса, какой они толщины, а также получили доказательства того, что ядро планеты расплавлено.
Сразу три научные статьи об этих открытиях были опубликованы накануне в Science.
Подобные измерения стали возможны благодаря сверхчувствительному сейсмометру, которым оснащен аппарат NASA InSight. Он приземлился на Марсе в 2018 году и с тех пор исследует сейсмическую активность и внутреннюю структуру планеты.
I’ve mapped the interior of Mars for the first time and found some surprises:
— Crust: thinner than expected, with maybe two or three sub-layers
— Mantle: a single layer (969 mi/1,560 km), simpler than Earth’s
— Core: larger than expected (1,137 mi/1,830 km radius), and molten pic.twitter.com/cLgQVkwBnz
Ученые обнаружили, что кора Марса оказалась тоньше, чем ожидалось. Она может иметь два или даже три подслоя. Они достигают глубины 20−37 км. В отличие от Земли, на Марсе нет тектонических плит. Его кора представляет собой плоский сплошной слой.
Под корой расположена мантия, которая простирается на 1560 километров вглубь. В основе же Марса находится расплавленное ядро радиусом 1830 километров. Это открытие оказалось одним из самых волнующих для ученых.
«Ученым потребовались сотни лет, чтобы измерить ядро Земли. После миссий “Аполлона” им нужно было 40 лет, чтобы измерить ядро Луны. InSight потребовалось всего два года, чтобы измерить ядро Марса», — объяснил Саймон Штелер из швейцарского исследовательского университета ETH Zurich, один из авторов работ.
