Ontrafel het fundamentele mysterie van de Rode Planeet

MarsDe vloeibare ijzerkern is kleiner en dichter dan eerder werd gedacht. Ze zijn niet alleen kleiner, maar ze zijn ook omgeven door een laag gesmolten gesteente. Dit concluderen onderzoekers van ETH Zürich op basis van seismische gegevens van de InSight-lander.

• Een jaar later NASA De InSight-missie is geëindigd en de analyse van geregistreerde aardbevingen op Mars, gecombineerd met computersimulaties, blijft nieuwe resultaten opleveren.
• Analyse van de aanvankelijk waargenomen aardbevingen op Mars laat zien dat de gemiddelde dichtheid van de kern van Mars veel lager moet zijn geweest dan de dichtheid van puur vloeibaar ijzer.
• Nieuwe waarnemingen laten zien dat de straal van de kern van Mars is afgenomen van het aanvankelijk vastgestelde bereik van 1.800-1.850 kilometer naar 1.650-1.700 kilometer.

Het interieur van Mars ontdekken: inzichten van NASA’s InSight Lander

Vier jaar lang registreerde NASA’s InSight-lander trillingen op Mars met behulp van zijn seismometer. Onderzoekers van ETH Zürich verzamelden en analyseerden gegevens die naar de aarde werden teruggestuurd om de interne structuur van de planeet te bepalen. “Hoewel de missie in december 2022 eindigde, hebben we nu iets heel interessants ontdekt”, zegt Amir Khan, senior wetenschapper bij de afdeling Aardwetenschappen van de ETH Zürich.

De unieke silicaatlaag van Mars

Analyse van geregistreerde aardbevingen op Mars, gecombineerd met computersimulaties, schetst een nieuw beeld van het binnenland van de planeet. Gevangen tussen vloeibaar Mars-ijzer Legering De kern van de planeet en de vaste silicaatmantel liggen in een laag vloeibaar silicaat (magma) van ongeveer 150 kilometer dik. “De aarde heeft niet zo’n volledig gesmolten silicaatlaag”, zegt Khan.

Dit resultaat, nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift natuur Samen met een onderzoek van Henri Samuel van het Institut Physique du Monde in Parijs, dat met behulp van complementaire methoden tot een vergelijkbare conclusie kwam, levert het ook nieuwe informatie op over de omvang en samenstelling van de kern van Mars, waarmee een mysterie wordt opgelost dat onderzoekers eerder hadden opgelost. Dusver Hij kon het niet uitleggen.

Basissamenstelling van Mars

Analyse van de aanvankelijk waargenomen aardbevingen op Mars toonde aan dat de gemiddelde dichtheid van de kern van Mars veel lager moet zijn geweest dan de dichtheid van puur vloeibaar ijzer. De kern van de aarde bestaat bijvoorbeeld voor ongeveer 90% uit ijzer. Lichte elementen zoals zwavel, koolstof, zuurstof en waterstof vormen in totaal ongeveer 10 gewichtsprocent.

Uit eerste schattingen van de dichtheid van de kern van Mars bleek dat deze uit een veel groter aandeel lichte elementen bestond: ongeveer 20% van het gewicht. “Dit vertegenwoordigt een zeer grote groep lichte elementen, wat vrijwel onmogelijk is. Sindsdien zijn we benieuwd naar dit resultaat”, zegt Dongyang Huang, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Geowetenschappen van de ETH Zürich.

Henry Samuel, onderzoeker bij het National Center for Scientific Research en geodynamisch onderzoeker bij IPGP, legt het nieuwe model voor de interne structuur van Mars uit, voorgesteld in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Het onderzoek, uitgevoerd door wetenschappers van NASA’s InSight-missie, suggereert dat de mantel van Mars heterogeen is en bestaat uit een laag gesmolten silicaten die de kern van Mars bedekt. Dit model, gebouwd op basis van seismische gegevens die op Mars zijn vastgelegd na een meteorietinslag, en dat alle geofysische waarnemingen verklaart, brengt een revolutie teweeg in onze kijk op de interne structuur en evolutie van de Rode Planeet. Krediet: © IPGP

De essentie van Mars opnieuw definiëren

De nieuwe waarnemingen laten zien dat de straal van de kern van Mars is afgenomen van het aanvankelijk bepaalde bereik van 1800-1850 km naar 1650-1700 km, wat ongeveer 50% van de straal van Mars vertegenwoordigt. Als de kern van Mars kleiner is dan eerder werd gedacht, maar dezelfde massa heeft, betekent dit dat deze een grotere dichtheid heeft en daarom minder lichte elementen bevat. Volgens nieuwe berekeningen is het aandeel lichte elementen afgenomen tot tussen de 9 en 14 gewichtsprocent.

“Dit betekent dat de gemiddelde dichtheid van de kern van Mars nog steeds vrij laag is, maar deze is niet langer onverklaarbaar in de context van typische scenario’s voor planeetvorming”, zegt Paolo Susi, universitair hoofddocent bij de afdeling Aardwetenschappen van de ETH Zürich en lid van de Nationale Geowetenschappen Commissie. Competentiecentra voor onderzoek (NCCR’s) PlanetS.

Het feit dat de kern van Mars een grote hoeveelheid lichtelementen bevat, geeft aan dat deze zeer vroeg is ontstaan, misschien toen de zon nog omringd was door nevelgas waaruit lichte elementen zich in de kern van Mars hadden kunnen ophopen.

Profiteren van verre aardbevingen op Mars

De eerste berekeningen waren gebaseerd op trillingen die zich dichtbij de InSight-lander voordeden. Maar in augustus en september 2021 registreerde de seismograaf twee aardbevingen aan de andere kant van Mars. Eén daarvan was het gevolg van een meteorietinslag.

“Deze aardbevingen veroorzaakten seismische golven die de kern van de aarde doorkruisten”, legt Cecilia Duran uit, een doctoraalstudente aan de afdeling Geowetenschappen van de ETH Zürich. “Hierdoor konden we het hart verlichten.”

In het geval van eerdere aardbevingen op Mars werden de golven daarentegen gereflecteerd op de grens van de kern en de mantel, waardoor er geen informatie werd verstrekt over het diepste binnenland van de rode planeet. Als resultaat van deze nieuwe waarnemingen hebben onderzoekers nu de dichtheid en snelheid van seismische golven van de vloeibare kern kunnen bepalen tot een diepte van ongeveer 1.000 km.

Kwantummechanische supercomputersimulatie

Om de materiaalsamenstelling uit deze profielen af ​​te leiden, vergelijken onderzoekers de gegevens doorgaans met synthetische ijzerlegeringen die verschillende verhoudingen lichte elementen bevatten (S, C, O en H). In het laboratorium worden deze legeringen blootgesteld aan hoge temperaturen en drukken die gelijkwaardig zijn aan die in het binnenste van Mars, waardoor onderzoekers rechtstreeks de dichtheid en snelheid van seismische golven kunnen meten.

Op dit moment worden de meeste experimenten echter uitgevoerd onder omstandigheden die heersen in het binnenste van de aarde, en zijn daarom niet onmiddellijk toepasbaar op Mars. Als gevolg hiervan kozen onderzoekers van ETH Zürich voor een andere aanpak. Ze berekenden de eigenschappen van een breed scala aan legeringen met behulp van kwantummechanische berekeningen, die ze uitvoerden in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS) in Lugano, Zwitserland.

Toen de onderzoekers de berekende profielen vergeleken met hun metingen op basis van de seismische gegevens van InSight, liepen ze tegen een probleem aan. Het blijkt dat er geen lichte ijzerlegeringen zijn die tegelijkertijd overeenkomen met de gegevens aan de bovenkant en het midden van Mars. Op de grens tussen de kern en de mantel zou de ijzerlegering bijvoorbeeld veel meer koolstof moeten bevatten dan er in het binnenste van de kern wordt aangetroffen.

“Het kostte ons enige tijd om te beseffen dat het gebied dat we eerder als de buitenste kern van vloeibaar ijzer beschouwden, toch niet de kern was, maar het diepste deel van de mantel”, legt Huang uit. Ter ondersteuning hiervan ontdekten de onderzoekers ook dat de dichtheid en snelheid van seismische golven gemeten en berekend in de verste 150 kilometer van de kern van Mars consistent waren met die gevonden in vloeibare silicaten – hetzelfde materiaal, in vaste vorm, waaruit Mars bestaat. ‘ mantel. .

Verdere analyse van eerdere aardbevingen op Mars en aanvullende computersimulaties bevestigden deze bevinding. Helaas maakten stoffige zonnepanelen en de daaruit voortvloeiende stroomtekorten het voor de InSight-lander onmogelijk om aanvullende gegevens te leveren die meer licht hadden kunnen werpen op de samenstelling en structuur van het interieur van Mars. “InSight was echter een zeer succesvolle missie, die ons veel nieuwe gegevens en inzichten heeft opgeleverd die we de komende jaren zullen analyseren”, zegt Khan.

Voor meer informatie over dit onderzoek, zie NASA’s InSight Lander Reveals the Mystery of Molten Mars.

Referenties:

“Bewijs voor een vloeibare silicaatlaag boven de kern van Mars” door A. Khan, D. Huang, C. Durán, P. A. Sossi, D. Giardini en M. Murakami, 25 oktober 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06586-4

“Geofysisch bewijs voor een met gesmolten silicaat verrijkte laag over de kern van Mars” door Henry Samuel, Melanie Drilio, Attilio Rivoldini, Zhongbo Xu, Quanxing Huang, Rafael F. Garcia, Vedran Lekic, Jessica C.E. Irving, James Padro, Philip H. Lugnonier, James Connolly, Taiichi Kawamura, Tamara Gudkova en William B. Bannerd, 25 oktober 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06601-8

NASA’s Mars Insight-missie

laboratorium voor straalaandrijving (Laboratorium voor straalaandrijving) beheerde InSight voor het Directoraat Wetenschapsmissies van NASA. InSight maakt deel uit van NASA’s Discovery Program, beheerd door het Marshall Space Flight Center van het bureau. Lockheed Martin Space bouwde het InSight-ruimtevaartuig, inclusief het cruiseplatform en de lander, en ondersteunde ruimtevaartuigoperaties voor de missie.

Een aantal Europese partners, waaronder het Franse Nationale Centrum voor Ruimtestudies (CNES) en het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR), ondersteunen de InSight-missie. Het Franse Nationale Centrum voor Ruimtestudies presenteerde het Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS)-instrument aan NASA, met als hoofdonderzoeker bij het IPGP (Institut Physique du Générale in Parijs). Belangrijke bijdragen aan SEIS kwamen van de IPGP; het Max Planck Instituut voor Onderzoek van het Zonnestelsel (MPS) in Duitsland; het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH Zürich) in Zwitserland; Imperial College Londen Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk; En het Jet Propulsion Laboratory. De Marsquake-service wordt geleid door ETH Zürich, met aanzienlijke bijdragen van IPGP; de Universiteit van Bristol; Keizerlijk College; ISAE (Hoger Instituut voor Luchtvaart en Ruimtevaart); MPS. En het Jet Propulsion Laboratory. Het Heat Flow and Physical Properties Package (HP3)-instrument werd geleverd door DLR, met belangrijke bijdragen van het Space Research Center (CBK) van de Poolse Academie van Wetenschappen en Astronica in Polen. Het Spaanse Centrum voor Astrobiologie (CAB) leverde de temperatuur- en windsensoren.