Как один посадочный модуль НАСА расшифровал тайны, лежащие под поверхностью Марса

Срок службы посадочного модуля Mars InSight подошел к концу в прошлом году, поскольку его солнечные панели покрылись пылью, а источник питания медленно иссяк. После четырех лет исследований и сбора данных НАСА официально объявило о завершении миссии в декабре 2022 года.

Однако Insight оставил невероятное наследие, предоставив лучший в истории взгляд на внутреннюю часть Марса и впервые сейсмометр был использован на другой планете. Чтобы узнать о том, как один маленький посадочный модуль смог увидеть всю планету, мы поговорили с двумя ведущими учеными из команды InSight, Кэтрин Джонсон из Университета Британской Колумбии и Марком Пэннингом из Лаборатории реактивного движения НАСА.

Зачем изучать внутреннюю часть Марса?

Изучение внутренней части такой планеты, как Марс, — это не просто абстрактное любопытство. Действительно, чтобы понять темы, от атмосферы планеты до ее истории, нам необходимо понять ее внутреннюю часть. «Если вы хотите понять, как развивался Марс, почему в прошлом у него была другая атмосфера, чем сегодня? Почему в прошлом уровень вулканизма отличался от более геологически недавнего? — вам нужно понять внутреннюю структуру», — сказал Джонсон.

Но анализировать образцы с поверхности Марса с помощью марсоходов достаточно сложно — как можно определить, что представляет собой недра планеты, расположенной на расстоянии сотен миллионов миль? К счастью, у нас есть представление, как это сделать, поскольку у нас есть практика изучения Земли. Мы узнаем о внутренней структуре Земли, наблюдая за тем, как сейсмические волны распространяются по планете, и мы можем сделать то же самое на Марсе.

Это послужило оправданием включения сейсмометра в посадочный модуль InSight, который стал первым сейсмометром, когда-либо приземлившимся на другой планете. И его результаты были, извините за каламбур, неземными.

Потрясенный землетрясениями

На Земле есть тектонические плиты, которые смещаются и движутся на протяжении миллионов лет, вызывая землетрясения, когда они трутся друг о друга. Сегодня на Марсе нет тектоники плит, но его сотрясают подобные землетрясения, называемые марсотрясениями. Это означает, что правильный инструмент может изучать эти землетрясения и то, как они отражаются внутри планеты, чтобы узнать больше о ее структуре.

Чтобы обнаружить крошечные толчки на поверхности, вам не нужен марсоход, который перемещается. Вместо этого вам нужно что-то, что остается на одном и том же месте в течение месяцев или лет, поэтому InSight — это стационарный посадочный модуль. Он также расположен в очень тихом районе.

Когда дело доходит до выбора места посадки для сейсмических измерений, «по сути, вам нужно место как можно более скучное», — сказал Джонсон. «И как можно тише, потому что вы делаете эти невероятно чувствительные измерения».

Чтобы изо дня в день учитывать различия в окружающей среде, InSight также измеряет такие факторы, как температура, давление и скорость ветра, с помощью погодных датчиков, поэтому эти факторы можно вычесть из сейсмических данных. В качестве бонуса это означает, что InSight также является крошечной марсианской метеостанцией и предоставляет многолетние данные о погоде в регионе Elysium Planitia, где она расположена.

Как измерить марсотрясение

Сейсмометры — довольно простое оборудование, и, учитывая, сколько опыта мы имеем в их использовании на Земле, адаптировать их для Марса концептуально просто. Конструкторам нужно было приспособиться к разному уровню гравитации, а прибор должен был быть чрезвычайно чувствительным, чтобы улавливать небольшие встряски. Но это была самая легкая часть.

Самое сложное заключалось в том, как пройти, используя только один из них. Когда вы учились в школе, вы, возможно, узнали, что для измерения землетрясения требуется три станции, чтобы можно было триангулировать его происхождение. Но на Марсе должен был быть только один посадочный модуль, и ему придется собрать все необходимые данные самостоятельно.

«Есть способы обнаружить землетрясения с помощью одной станции», — сказал Пэннинг, но обычно это не делается таким образом. Поэтому выяснение того, насколько эффективным будет этот подход на Марсе, было важной частью принятия миссии. «Мы потратили много времени на обсуждение того, насколько хорошо мы сможем определять местонахождение событий с помощью всего лишь одной станции».

Было непросто убедить людей в том, что InSight сможет обнаружить полезную информацию самостоятельно, особенно если учесть, что сейсмометр никогда не размещался на другой планете. Но за время, прошедшее с момента посадки на Марс в 2018 году, он смог зарегистрировать сотни сейсмических событий. «История подтвердила нашу правоту» на этом фронте, сказал Пэннинг. «Нам удалось обнаружить множество землетрясений».

Понимание сейсмических волн

Чтобы понять, как работает InSight, вам необходимо разобраться с сейсмическими волнами. Существует два типа сейсмических волн, называемые P и S. Когда волны проходят через планету, они могут двигаться по-разному: с помощью P-волн материал движется вперед и назад в том же направлении, что и волна. При S-волнах материал перемещается из стороны в сторону по сравнению с направлением волны.

Подумайте о слинки. Вы можете толкать пружину по всей длине, что будет эквивалентно волне P, или раскачивать пружину из стороны в сторону, что будет эквивалентом волны S.

InSight может обнаружить оба этих типа волн и использовать их для обнаружения источника марсотрясения. Чтобы узнать, на каком расстоянии произошло землетрясение, вы можете посмотреть на время, когда сейсмические волны достигли посадочного модуля, поскольку два типа волн движутся с разной скоростью. Разница во времени между приходом зубцов P и волн S дает вам расстояние.

Определение местоположения источника немного сложнее. В этом процессе используется свойство, называемое поляризацией сейсмических волн, которое относится к направлению движения внутри волны. «Поэтому, если волна P приходит, например, с востока, движения ее частиц будут двигаться в направлении восток-запад. Они не собираются двигаться с севера на юг», — объяснил Пэннинг.

Вы можете использовать эту поляризацию, чтобы определить направление, откуда исходит волна. «Поэтому, если мы знаем, насколько далеко находится землетрясение от времени P и S, и мы знаем, в каком направлении оно произошло, исходя из поляризации волн, это дает нам местоположение», — сказал Пэннинг.

Заглядывая в интерьер

Как только вы сможете определить источник землетрясения, вы сможете использовать эту информацию, чтобы узнать о недрах планеты. Мы знаем, что внутренняя структура Марса состоит из слоев, состоящих из расплавленного ядра, мантии и коры. Но до появления InSight у нас не было четкого понимания толщины каждого слоя.

Как бы абстрактно это ни звучало, понимание глубинных недр планеты жизненно важно для понимания всех видов проблем, от истории планеты до ее сегодняшнего состояния. «Как планета остыла и что с ней произошло, могло ли у нее быть магнитное поле в прошлом, могло ли оно быть у него сегодня – такого рода вопросы критически зависят от глубоких недр», – сказал Джонсон.

Поэтому InSight взял данные о марсотрясениях, чтобы измерить глубину слоев. Поскольку каждый слой имеет разные свойства материала, каждый из них взаимодействует с сейсмическими волнами в разных волнах. И именно это позволяет исследователям определить толщину и свойства каждого слоя.

Для изучения коры вы используете метод, называемый приемными функциями. Когда волна P достигает границы, например края земной коры, часть ее преобразуется в волну S. Затем вы можете увидеть, как преобразованная энергия S-волны приходит немного позже, чем волна P, и это может сказать вам, насколько толста кора.

Чтобы изучить расплавленное ядро, вы ищете энергию, которая отражается от границы между ядром и мантией. Сильное землетрясение может вызвать S-волну, которая достигает этой границы, отражается и возвращается обратно к приемнику. Вы можете искать входящие волны, которые имеют правильную поляризацию, чтобы их можно было идентифицировать как этот конкретный тип волны, называемый волной ScS, и это позволяет вам определить радиус ядра.

Чтобы изучить мантию, исследователи хотели знать, как быстро волны проходят через этот слой, что позволяет им узнать о температуре мантии. Для этого вы ищете волны, отразившиеся от поверхности планеты, называемые PP-волнами. Вы можете видеть, что эти отражения достигают вашего приемника позже, чем исходные P-волны, что говорит о том, насколько быстро распространяются волны.

Взгляд в будущее

Именно так InSight смог собрать самую точную информацию о недрах Марса, найти различные подслои внутри коры и точно определить размер ядра . Это большой шаг в понимании планеты, и он был достигнут всего за несколько лет работы InSight. Это наследие, которое InSight оставит науке о Марсе.

«Каждая миссия приводит к большому скачку вперед в нашем понимании — в данном случае это большой скачок в нашем понимании внутренней части Марса и поверхностной среды посадочного модуля», — сказал Джонсон.

Более глубокое понимание внутренней части Марса, которое предоставила InSight, будет способствовать будущим миссиям, от запланированной миссии по возвращению образцов с Марса до долгосрочных планов астронавтов по личному посещению Красной планеты. И результаты спускаемого аппарата до сих пор используются для открытий, таких как недавнее открытие о том, что Марс с каждым годом вращается быстрее .

Таким образом, даже несмотря на то, что миссия InSight подошла к завершению, Джонсон и ее команда с оптимизмом смотрят на то, чего достигла миссия и какое будущее ждет науку о Марсе.

«Любая миссия — это невероятное путешествие», — сказал Джонсон. «Всегда грустно, когда что-то заканчивается. Но вы также проводите много времени, размышляя о том, как миссия позволила сделать следующий этап расследования».