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. 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 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.
Строение Марса
IPGP / David Ducros