Новое моделирование ядра Марса может объяснить, как он потерял свое магнитное поле

Марс - засушливая планета, на которой властвуют глобальные пылевые бури. Это также холодный мир, где ночные зимние температуры опускаются до минус 140 C (минус 220 F) на полюсах.

Но она не всегда была сухой, бесплодной, замерзающей, негостеприимной пустошью. Когда-то это было теплое, влажное, почти привлекательное место, где жидкая вода текла по поверхности, наполняя озера, прокладывая каналы и оставляя осадочные дельты.

Но потом она потеряла свое магнитное поле, и без защиты, которую оно обеспечивало, Солнце лишило планету атмосферы. Без атмосферы вода ушла дальше.

Теперь Марс - это Марс, который мы всегда знали: Место, которое находят гостеприимным только роботы-вездеходы.

Как именно он потерял свой магнитный щит? Ученые долго ломали над этим голову.

Магнитный щит крайне важен для сохранения атмосферы Земли и ее пригодности для жизни. Без него Земля была бы похожа на Марс. Но Земля сохранила свою защиту, а Марс - нет. Поэтому Земля "пульсирует жизнью", как сказал Карл Саган, в то время как Марс, скорее всего, полностью лишен жизни.

У Марса есть слабый остаток магнитного поля, исходящего из его коры, но это слабое явление, которое обеспечивает слабую защиту.

Потеря магнитосферы стала катастрофой для Марса. Как это произошло?

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, пытается ответить на этот вопрос, как и многие другие исследования до этого. Оно называется "Стратификация в ядрах планет за счет несмешиваемости жидкости в Fe-S-H". Ведущими авторами работы являются Кей Хиросе с факультета наук о Земле и планетах Токийского университета и аспирант Шунпей Йокоо из лаборатории Хиросе.

Ядро Земли создает магнитоэффект, который генерирует магнитные поля нашей планеты. Существует твердое внутреннее ядро и внешнее жидкое ядро.

Тепло течет от внутреннего ядра к внешнему, создавая конвективные токи во внешнем жидком ядре. Конвективные токи движутся по закономерностям, создаваемым вращением планеты, внутренним ядром и эффектом Кориолиса. Это создает магнитосферу планеты.

Магнитосфера окутывает Землю, как защитное одеяло. Солнечный ветер Солнца ударяется о магнитосферу, и магнитосфера заставляет его течь вокруг планеты, а не достигать атмосферы или поверхности.

Магнитосфера не является сферой: Солнечный ветер перемещает магнитосферу в асимметричную форму. Магнитосфера не позволяет солнечному ветру лишить Землю атмосферы. Без нее Земля была бы сухой, мертвой и бесплодной, как Марс.

Так что же случилось с Марсом?

"Магнитное поле Земли приводится в движение немыслимо огромными конвекционными потоками расплавленных металлов в ее ядре. Считается, что магнитные поля на других планетах работают таким же образом", - сказал Хиросе в пресс-релизе.

"Хотя внутренний состав Марса еще не известен, свидетельства метеоритов говорят о том, что это расплавленное железо, обогащенное серой. Кроме того, сейсмические данные, полученные с помощью зонда НАСА InSIGHT на поверхности, говорят о том, что ядро Марса больше и менее плотное, чем считалось ранее. Это предполагает наличие дополнительных легких элементов, таких как водород".

Зонд НАСА InSIGHT с трудом выполнил все поставленные перед ним научные задачи. Но он собрал некоторые важные доказательства относительно внутреннего строения Марса. Если результаты InSIGHT верны, и если предполагаемый водород существует, то это дает основу для экспериментов, которые могут раскрыть больше информации об утраченном магнитном щите Марса.

Выше: Визуализация электрических токов вокруг Марса. Электрические токи (синие и красные стрелки) охватывают Марс в виде вложенной двойной петли, которая непрерывно огибает планету от дневной до ночной стороны. Эти токовые петли искажают магнитное поле солнечного ветра (на фото не показано), которое обволакивает Марс, создавая вокруг планеты индуцированную магнитосферу.

"С помощью этой детали мы готовим сплавы железа, которые, как мы ожидаем, будут составлять ядро, и подвергаем их экспериментам", - сказал Хиросэ.

Предыдущие эксперименты изучали поведение планетарных ядер при различных давлениях и температурах. Но они не фокусировались на водороде.

"Последние теории формирования планет показывают, что большое количество воды было доставлено на Марс и Землю во время их аккреций, что позволяет предположить, что водород, возможно, является основным легким элементом в ядре", - объясняют авторы в своей статье. "Несмотря на свою важность, до сих пор система Fe-S-H была мало исследована при высоких давлениях".

Но если данные InSIGHT верны, то водород в ядре Fe-S-H может играть роль в коллапсе магнитного поля Марса.

Исследователи подготовили образец материала, соответствующего тому, из чего, по их мнению, когда-то состояло ядро Марса. Он содержал железо, серу и водород - Fe-S-H. Они поместили образец в устройство, называемое алмазной наковальней, или ячейкой алмазной наковальни (DAC).

Алмазная наковальня сжимает образцы между двумя небольшими алмазными пластинами. Алмазы могут выдерживать экстремальные давления внутри наковальни, поскольку они выкованы в условиях экстремального давления глубоко под землей.

DAC может подвергать микроскопические образцы давлению в сотни гигапаскалей. Лазер нагревал образец так, чтобы условия имитировали ядро Марса. По мере того, как команда подвергала образец более высоким температурам и давлению, они наблюдали за ним с помощью рентгеновских и электронных лучей, чтобы отследить изменения в материале. Образец Fe-S-H не только расплавился, но и изменил свой состав.

Результаты эксперимента основаны на идее смешиваемости. Когда материалы добавляются друг к другу и образуют однородную смесь, они смешиваются. Когда материалы добавляются друг к другу и не образуют однородной смеси, они несмешиваемы. Несмешиваемость Fe-S-H при высоких температурах и давлениях сыграла важную роль в марсианской планетарной истории.

"Мы были очень удивлены, увидев особое поведение, которое может многое объяснить", - сказал Хиросе в пресс-релизе. "Изначально однородный Fe-S-H разделился на две различные жидкости с уровнем сложности, который не наблюдался ранее при таких давлениях", - сказал Хиросе. "Одна из железных жидкостей была богата серой, другая - водородом, и это ключ к объяснению рождения и окончательной гибели магнитного поля вокруг Марса".

Хиросе и его команда считают, что первоначально в ядре Марса произошло разделение двух несмешивающихся жидкостей.

"В то время как разделенные более плотные жидкости оставались в самой глубокой части, более легкие жидкости мигрировали вверх и смешивались с основной жидкой массой ядра, что могло привести к конвекции марсианского ядра", - пишут они.

Но в области, где две жидкости разделились, произошло нечто другое. "В то же время в области, где произошло разделение жидкостей, должна была развиться гравитационно устойчивая композиционная стратификация. В конце концов, все ядро Марса стало стратифицированным, что привело к прекращению конвекции".

Выше: Этот рисунок из статьи показывает, как ядро Марса и ядро Земли начинались одинаково, а затем менялись с течением времени. Светло- и темно-синие цвета представляют плавучую и плотную жидкости соответственно. 

Ученые уже знали, когда прекратилась конвекция и Марс потерял свой магнитный щит. Это произошло около 4 миллиардов лет назад. Данное исследование объясняет, почему конвекция прекратилась, что привело к потере магнитного щита.

Оно также объясняет, как это началось. "Разделение несмешивающихся S-богатых и H-богатых жидкостей могло быть причиной как начала, так и окончания конвекции марсианского ядра и действия динамо", - пишут авторы в своей работе.

Как только две жидкости разделились, Марс был обречен. Не было больше ни конвекции, ни магнетизма, ни атмосферы, ни воды. Точные сроки неизвестны, но результатом стала мертвая планета.

Однако это всего лишь одно исследование, и у нас нет полной картины. "Учитывая наши результаты, дальнейшее сейсмическое исследование Марса, надеюсь, подтвердит, что ядро действительно состоит из отдельных слоев, как мы и предсказывали", - сказал Хиросе. "Если это так, то это поможет нам завершить историю о том, как сформировались каменистые планеты, включая Землю, и объяснить их состав".

Мы знаем, что Земля не будет оставаться пригодной для жизни вечно. Примерно через 5 миллиардов лет Солнце войдет в фазу красного гиганта и уничтожит Землю. Но наш защитный магнитный щит тоже не будет существовать вечно, и без него мы обречены. Что произойдет первым? Гибель от потери магнитосферы? Или гибель от красного гиганта?

"И вы можете подумать, что Земля однажды тоже может потерять свое магнитное поле, - сказал Хиросэ, - но не волнуйтесь, этого не произойдет по крайней мере миллиард лет".

Итак, у нас есть миллиард лет. Давайте не будем тратить его впустую.