На Марсе впервые обнаружили активный очаг вулкана

Считается, что извержения вулканов на Красной планете давно прекратились. Но последние данные показывают, что они могут возобновиться в любой момент. Судя по сотрясениям марсианской коры, в ней есть очаги жидкой магмы. Naked Science разбирался, насколько надежны эти свидетельства.

Прошлое всех скалистых миров Солнечной системы было горячим. Меркурий, Венера, Земля и Марс изобилуют следами древних извержений. Но здесь ключевое слово — «древних». Из всех планет активные вулканы известны только на Земле. Оговорка «планет» важна, поскольку вообще-то самое вулканически активное тело Солнечной системы — спутник Юпитера Ио.

Правда, если мы не видели действующих вулканов, то это еще не значит, что их нет. Никакая планета, кроме Земли, не изучена вулканологами как следует. Есть, например, косвенные свидетельства, что огнедышащие горы могут быть на Венере. Но застать их за извержением трудно хотя бы потому, что поверхность этой планеты всегда закрыта плотными облаками. Изучать Марс проще, он хотя бы с орбиты хорошо виден. Но о вулканологической станции «Фарсида-1» Марсианского отделения РАН приходится только мечтать (Тарсис, он же Фарсида — огромное вулканическое нагорье на Марсе. — прим.ред.). Всего четыре года назад (в 2018-м) на Красной планете благодаря зонду InSight заработал первый приличный сейсмограф. Он-то и принес интригующие данные, о которых мы поговорим ниже. Но для начала расскажем, чем марсианские вулканы отличаются от земных и откуда они вообще берутся.

Откуда берутся вулканы

Две сотни лет назад натуралисты думали, что Земля внутри жидкая. Получалось, что тонкая твердая кора отделяет нас от океана жидкой магмы. А вулканические жерла — да это просто дырки в коре. Это представление перекочевало в массовую культуру и по сей день сбивает людей с толку. На самом деле с вулканами дело обстоит совсем не так просто. А точнее: во-первых, совсем не просто, и во-вторых, всё совсем не так.

Мантия планеты (не только нашей) хоть и горячая, но твердая, а вовсе не жидкая (температура верхней мантии Земли, например — около 1300 – 1500 С). Да, она подвижна, но скорость мантийных потоков — считанные сантиметры, а то и миллиметры, в год. Примерно теми же темпами могут «течь» бетонные опоры плохо построенного моста.

Чтобы образовалась магма, твердое вещество мантии (или коры) должно расплавиться. Магма, кстати, тоже не совсем жидкость. Это смесь жидкого расплава, кристаллов и газов. Ее можно сравнить с газированной манной кашей. Вулканическая лава — это магма, излившаяся на поверхность. Под каждым действующим вулканом есть резервуар магмы — магматический очаг.

Как расплавить вещество верхней мантии? Очевидный способ: нагреть его выше температуры плавления. С этим хорошо справится восходящий поток вещества из нижней мантии, а то и от самой границы ядра — мантийный плюм. Нижняя мантия горячее верхней, поэтому «пришелец» несет с собой дополнительное тепло, плавящее окружающие породы. Считается, что такой плюм греет очаги гавайских вулканов.

Еще можно не искать дополнительное тепло, а просто понизить его температуру плавления, чтобы оно расплавилось и при своей обычной температуре. К этому, в свою очередь, есть два пути. Первый — понизить давление на вещество. Когда глубинные массы мантии поднимаются к поверхности, где давление меньше, они плавятся. Так образуется магма под вулканами срединно-океанических хребтов, в месте мощных восходящих потоков мантийного вещества. Второй путь — вспомнить древний рекламный слоган и «просто добавить воды». Смесь мантийного вещества с водой плавится при температуре, при которой сухая мантия осталась бы твердой. Поэтому и существует Тихоокеанское огненное кольцо по краям Тихоокеанской литосферной плиты, где насыщенные водой породы морского дна погружаются в мантию.

Компьютерная реконструкция вида горы Олимп на Марсе / © NASA

Неземное долголетие

Земные вулканы часто живут тысячи лет, иногда — сотни тысячелетий. Но не миллионы лет. Движение тектонических плит не позволит магматическому очагу долго существовать на одном месте. Оно сдвинет очаг с грелки мантийного плюма или сместит точку притока воды в мантию.

Но на Марсе, как считают ученые, нет подвижных литосферных плит. И, скорее всего, никогда не было. Поэтому магматические очаги могут быть чрезвычайно долговечными. Метеориты марсианского происхождения показывают, что один и тот же вулкан мог время от времени просыпаться в течение без малого ста миллионов лет! И при каждом извержении выбрасывать новые массы лавы и пепла.

Прибавив к этому низкую силу тяжести (38% земной), мы поймем, почему самые высокие вулканы в Солнечной системе именно на Марсе. Самый грандиозный из них — Олимп. Эту громадину с диаметром основания 540 километров трудно даже назвать горой. Ее невозможно полностью увидеть с поверхности: большая часть Олимпа всегда будет скрыта за горизонтом. Высота этого колосса превышает 21 километр, если считать от подножия. А над условным местным «уровнем моря» гигант возвышается более чем на 24 километра! Другие марсианские вулканы не столь грандиозны, как Олимп, но тоже впечатляют.

Однако все следы марсианских извержений очень древние. Самые молодые из них старше двух миллионов лет. Откуда мы знаем их возраст? Благодаря подсчету метеоритных кратеров. Специалисты знают (по крайней мере, в теории), как часто на Красную планету падают метеориты того или иного размера. Поскольку эрозия на Марсе слабая, кратеры почти не разрушаются. Если на каком-то участке поверхности их мало и они мелкие — значит, этот участок молод. Метод не очень точный, зато удобный.

До недавнего времени не было никаких свидетельств, что на Марсе есть действующие вулканы. Более того, казалось наиболее вероятным, что их как раз нет. Все планеты постепенно остывают, растрачивая внутреннее тепло. На Марсе, который меньше Земли по массе почти в десять раз, этот процесс зашел очень далеко. А там, где мало подземного тепла, трудно ожидать плавления мантии.

Кстати, многие эксперты считают, что многочисленные глубокие трещины в коре планеты — как раз следствие остывания. Планета уменьшается в объеме, съеживается, и ее кора трескается.

Но последние данные заставляют усомниться как в «сдержанном, нордическом» нраве Марса, так и в происхождении трещин.

Отложения вокруг одной из борозд Цербера очень напоминают вулканические / © NASA/JPL/MSSS/The Murray Lab

Трещина в теории

В 2021 году в журнале Icarus вышла любопытная статья. Астрономы обнаружили нечто очень похожее на свежие вулканические отложения на снимках с аппарата Mars Reconnaissance Orbiter. Это темное пятно вокруг одной из так называемых борозд Цербера — глубоких трещин в коре Марса. Пятно почти симметричное и вытянуто не в направлении господствующих ветров. Так что его происхождение трудно приписать капризам Эола. Отложения имеют большую теплоемкость: медленно нагреваются и столь же медленно остывают. В сочетании с цветом это заставляет подозревать, что они состоят из вулканического минерала пироксена.

Похожие структуры не раз обнаруживались на Луне и Меркурии и обычно считались вулканическими. Но, в отличие от своих двойников на других небесных телах, марсианское пятно очень молодо. Ему от 50 до 200 тысячелетий. Даже на Земле с ее подвижными плитами вулканы такого возраста могут быть действующими, а уж на Марсе и подавно.

Сладкая дрожь открытия

Авторы статьи в Icarus сразу же отметили, что именно в районе борозд Цербера находились эпицентры самых сильных марсотрясений, зафиксированных сейсмографом InSight. И вот теперь в журнале Nature Astronomy вышла новая работа. Ученые проанализировали данные о множестве марсотрясений, благо их зафиксировано уже более 1300. Эксперты выделили особый класс сотрясений Марса: низкочастотные. По характеру сигнала они довольно похожи на события, привычные земным сейсмологам. Можно надеяться, что причина таких подземных толчков не в потрескивании сжимающейся коры и не в редких падениях метеоритов, а в геологической активности Марса.

Для 18 из 24 таких низкочастотных сотрясений удалось определить дистанцию между сейсмографом и эпицентром. И она совпала (в пределах погрешности) с расстоянием до борозд Цербера. То есть до того самого места, где нашлись свежие вулканические отложения или что-то очень похожее.

Но и это еще не всё. Судя по скорости сейсмических волн, они прошли через жидкую или почти жидкую среду. Мантия, напомним, твердая. И кора тоже твердая. Что тогда может быть жидким? Магма.

Похоже, под дном как минимум одной из борозд Цербера есть магматический очаг. А если так, то и сама трещина, скорее всего, образовалась в результате вулканической катастрофы, а не постепенного растрескивания остывающей коры. А самое важное в том, что пока магма остается жидкой, она может быть извергнута на поверхность. Марсианский вулкан может проснуться и заявить о себе.

Два независимых свидетельства — снимки с орбиты и сейсмограммы с поверхности — это немало. Но ученые очень серьезно относятся к понятию «установленный факт». Пресс-служба может заставить их сделать громкое заявление для релиза, но в своем кругу они не спешат с выводами, неторопливо и придирчиво накапливая аргументы за и против. Возможно, однажды на Марсе появится целая сеть сейсмографов, приборы измерят поток подземного тепла в разных точках планеты, а образцы пород с краев той самой трещины будут изучены марсоходами, а то и доставлены в земные лаборатории. И тогда можно будет точно сказать, есть ли там магматический очаг. Ну или нам очень повезет, и орбитальные аппараты сфотографируют процесс извержения.