Данные, полученные с космического аппарата NASA InSight (НАСА ИнСайт), выявили неожиданный факт: Марс ускоряет своё вращение вокруг собственной оси. Марсианские сутки становятся короче — пусть и на ничтожную величину, измеряемую в миллиугловых секундах. Долгое время учёные считали Марс геологически мёртвой планетой, однако новое исследование, опубликованное в журнале JGR Planets (ДжейДжиАр Плэнетс), указывает на то, что на глубине около 1 200 километров под поверхностью поднимаются гигантские столбы горячей магмы. Именно эти процессы, по мнению исследователей, изменяют распределение массы внутри планеты и влияют на скорость её вращения.
Как было обнаружено ускорение вращения Марса
Открытие было сделано благодаря данным прибора RISE (РАЙЗ — Rotation and Interior Structure Experiment / эксперимент по изучению вращения и внутренней структуры), установленного на посадочном модуле InSight (ИнСайт). Аппарат работал на поверхности Марса с ноября 2018 года по декабрь 2022 года и собрал огромный массив сейсмических и радиометрических данных.
Прибор RISE (РАЙЗ) использовал радиосигналы, передаваемые между InSight (ИнСайт) и наземными станциями слежения на Земле. Точные измерения допплеровского сдвига этих сигналов позволили определить параметры вращения Марса с беспрецедентной точностью.
В 2023 году, после обработки многолетних данных, учёные зафиксировали, что Марс ускоряет своё вращение. Величина ускорения составила приблизительно 4 миллиугловые секунды в год. Для наглядности: это соответствует сокращению продолжительности марсианских суток на доли миллисекунды. Подобное изменение невозможно обнаружить без высокоточных инструментов, однако для планетарной науки оно имеет принципиальное значение.
Сам факт того, что массивная планета изменяет скорость своего вращения, свидетельствует о масштабных процессах, происходящих в её недрах. Даже минимальное ускорение указывает на перераспределение вещества внутри планеты, аналогично тому, как фигурист ускоряет вращение, прижимая руки к телу.
Первоначальные гипотезы: роль полярных ледяных шапок
После обнаружения ускорения вращения Марса учёные предложили несколько гипотез, объясняющих данное явление. Первоначально наиболее вероятным объяснением считалось влияние полярных ледяных шапок.
Марс обладает двумя полярными шапками, состоящими из водяного льда и замёрзшего углекислого газа (сухого льда). Эти шапки меняют свой размер в зависимости от сезона: зимой они увеличиваются за счёт конденсации атмосферного углекислого газа, а летом частично сублимируются.
Согласно данной гипотезе, накопление или таяние льда на полюсах может изменять распределение массы на поверхности планеты. Если масса перемещается ближе к оси вращения (например, при таянии льда на полюсах и перераспределении вещества к экватору или в глубь планеты), момент инерции уменьшается, и планета начинает вращаться быстрее.
Учёные сравнивали этот процесс с поведением фигуриста на льду. Когда фигурист вращается с раскинутыми руками, его вращение происходит медленно. Но стоит ему прижать руки к телу, и скорость вращения резко возрастает. Аналогичный принцип — закон сохранения углового момента — действует и на планетарном масштабе.
Однако расчёты показали, что сезонные изменения ледяных шапок не могут полностью объяснить наблюдаемую величину ускорения. Требовалось искать иной, более масштабный источник перераспределения массы.
Новое исследование: магматические столбы под вулканической провинцией Тарсис
Прорыв в понимании причин ускорения вращения Марса произошёл после публикации нового исследования в научном журнале JGR Planets (ДжейДжиАр Плэнетс — Journal of Geophysical Research: Planets / Журнал геофизических исследований: Планеты). Авторы работы предложили принципиально иное объяснение, связанное с глубинными процессами в недрах планеты.
Вулканическая провинция Тарсис
Исследование сосредоточено на вулканической провинции Тарсис (Tharsis / Тарсис) — крупнейшем вулканическом регионе в Солнечной системе. Тарсис представляет собой гигантское вулканическое плато, расположенное в западном полушарии Марса. Его протяжённость составляет около 5 000 километров, а высота над средним уровнем поверхности достигает 7–10 километров.
На территории провинции Тарсис расположены самые крупные вулканы Солнечной системы:
- Олимп (Olympus Mons / Олимпус Монс) — высота около 21,9 километра, крупнейший вулкан в Солнечной системе
- Гора Аскрийская (Ascraeus Mons / Аскреус Монс) — высота около 18 километров
- Гора Павлина (Pavonis Mons / Павонис Монс) — высота около 14 километров
- Гора Арсия (Arsia Mons / Арсия Монс) — высота около 17,7 километра
Эти вулканы долгое время считались потухшими. Последняя вулканическая активность на Марсе, по оценкам учёных, имела место десятки или сотни миллионов лет назад. Однако новые данные ставят под сомнение представление о полной геологической инертности планеты.
Гигантские магматические плюмы
Авторы нового исследования проанализировали данные гравитационных измерений Марса, накопленные начиная с миссий Viking (Викинг) в 1970-х годах и дополненные современными орбитальными аппаратами. Гравитационное поле Марса в районе провинции Тарсис демонстрирует аномалии, которые значительно отклоняются от ожидаемых значений.
На основании этих данных исследователи пришли к выводу, что на глубине приблизительно 1 200 километров под провинцией Тарсис поднимается гигантский столб горячей магмы — так называемый мантийный плюм (mantle plume / мантл плюм).
Учёные установили, что горячий и менее плотный магматический материал поднимается из глубин марсианской мантии к поверхности. Этот процесс изменяет распределение плотности внутри планеты: менее плотное вещество перемещается вверх, а более плотное оседает ниже. В результате меняется момент инерции планеты, что непосредственно влияет на скорость её вращения.
Процесс можно сравнить с конвекцией в кастрюле с водой: горячая вода поднимается вверх, а холодная опускается вниз. Аналогичные конвективные потоки, только в масштабе тысяч километров и с расплавленной горной породой вместо воды, происходят в мантии Марса.
Что это означает: Марс не является геологически мёртвой планетой
Обнаружение активных мантийных плюмов под провинцией Тарсис имеет фундаментальное значение для планетарной науки. На протяжении десятилетий Марс рассматривался как геологически «мёртвая» планета — тело, чьи внутренние процессы давно прекратились, в отличие от Земли с её активной тектоникой плит и вулканизмом.
Новые данные вынуждают пересмотреть эту точку зрения. Если под поверхностью Марса действительно поднимаются горячие магматические потоки, это означает следующее:
- Внутренняя часть Марса сохраняет значительный запас тепловой энергии
- В мантии планеты продолжаются конвективные процессы
- Под корой могут существовать очаги расплавленной породы (магматические камеры)
- Гигантские вулканы провинции Тарсис, считавшиеся потухшими, могут оставаться «спящими» — то есть потенциально способными к извержению в геологическом будущем
Горячая магма, поднимающаяся к поверхности, утончает кору планеты в районе провинции Тарсис. Этот процесс поддерживает гигантские вулканические сооружения в относительном равновесии, не позволяя им «просесть» под собственным весом.
Исследователи подчёркивают: присутствие активных мантийных плюмов не означает, что извержение вулканов на Марсе произойдёт в ближайшем будущем. Геологические процессы на планетах развиваются на протяжении миллионов лет. Однако сам факт наличия внутренней активности принципиально меняет статус Марса в глазах науки.
Физика процесса: как внутренние потоки влияют на вращение
Для понимания связи между мантийными плюмами и ускорением вращения Марса необходимо обратиться к фундаментальному закону физики — закону сохранения углового момента.
Момент инерции и угловой момент
Каждое вращающееся тело обладает угловым моментом, который зависит от двух параметров: скорости вращения и момента инерции. Момент инерции, в свою очередь, определяется распределением массы относительно оси вращения. Чем больше массы сосредоточено далеко от оси, тем выше момент инерции и тем медленнее вращается тело при неизменном угловом моменте.
Когда горячая, менее плотная магма поднимается из глубин к поверхности, а более плотный и холодный материал опускается вниз, происходит перераспределение массы внутри планеты. Если в результате этого процесса суммарное распределение массы смещается ближе к оси вращения, момент инерции уменьшается, и планета начинает вращаться быстрее.
Масштаб явления
Величина ускорения — около 4 миллиугловых секунд в год — кажется ничтожно малой. Однако она измерима с помощью современных инструментов и согласуется с расчётами, основанными на модели мантийного плюма под провинцией Тарсис.
Для сравнения: на Земле также наблюдаются вариации скорости вращения, вызванные перераспределением масс льда, воды и мантийного вещества. Однако Земля обладает значительно более активной внутренней динамикой, и факторов, влияющих на её вращение, значительно больше.
Данные миссий: от Viking (Викинг) до InSight (ИнСайт)
Выводы нового исследования основаны на данных, накопленных за полвека марсианских исследований. Каждая миссия внесла свой вклад в понимание внутренней структуры и динамики Марса.
Миссии Viking (Викинг), 1970-е годы
Посадочные аппараты Viking 1 (Викинг 1) и Viking 2 (Викинг 2), доставленные на поверхность Марса в 1976 году, провели первые наземные измерения на планете. Хотя их основной задачей был поиск признаков жизни, они также предоставили ценные данные о гравитационном поле и параметрах вращения Марса.
Орбитальные аппараты
Современные орбитальные миссии — Mars Reconnaissance Orbiter (Марс Рикэнэсэнс Орбитер), Mars Odyssey (Марс Одиссей) и Mars Express (Марс Экспресс) — на протяжении многих лет проводили детальное картографирование гравитационного поля Марса. Именно эти данные позволили обнаружить гравитационные аномалии в районе провинции Тарсис.
Миссия InSight (ИнСайт)
Посадочный модуль InSight (ИнСайт) стал первым аппаратом, специально предназначенным для изучения внутренней структуры Марса. Его сейсмометр SEIS (СЕИС) зафиксировал сотни марсотрясений, а прибор RISE (РАЙЗ) обеспечил точнейшие измерения параметров вращения планеты. Именно данные RISE (РАЙЗ) позволили обнаружить ускорение вращения.
Комбинация данных с орбитальных и наземных аппаратов, собранных на протяжении почти 50 лет, обеспечила учёным достаточную базу для построения модели внутренней динамики Марса и объяснения наблюдаемого ускорения вращения.
Перспективы дальнейших исследований
Научная группа, опубликовавшая исследование, указала на необходимость получения дополнительных данных для подтверждения и уточнения предложенной модели. В частности, требуется более детальная информация о вязкости марсианской мантии — параметре, который определяет скорость конвективных потоков в недрах планеты.
Будущие миссии по гравитационному картографированию Марса смогут предоставить данные с более высоким пространственным разрешением, что позволит точнее определить размеры, форму и положение предполагаемых мантийных плюмов.
Кроме того, развёртывание сейсмической сети из нескольких станций на поверхности Марса (в отличие от единственного сейсмометра InSight / ИнСайт) позволило бы выполнить томографию внутренней структуры планеты — по аналогии с тем, как сеть сейсмических станций на Земле позволяет «просвечивать» земные недра.
Несколько перспективных миссий, находящихся на стадии планирования или разработки, могут предоставить необходимые данные. Среди них — проекты по доставке сейсмометров нового поколения и миссии с использованием радарного зондирования глубинных слоёв марсианской коры и верхней мантии.
Значение открытия для науки и освоения Марса
Обнаружение активных геологических процессов в недрах Марса имеет значение не только для фундаментальной науки, но и для перспектив освоения планеты.
С научной точки зрения, подтверждение наличия мантийных плюмов и, возможно, жидкой магмы под поверхностью расширяет представление о геологическом разнообразии планет Солнечной системы. Марс оказывается не статичным каменным телом, а динамической системой с продолжающимися внутренними процессами.
С практической точки зрения, наличие геотермальной активности может иметь значение для будущих пилотируемых миссий. Геотермальные источники энергии теоретически могут использоваться для обеспечения марсианских баз. Кроме того, наличие жидкой воды, которая может сохраняться в районах с повышенным тепловым потоком, является важным фактором для планирования долгосрочного присутствия человека на Марсе.
Вопрос о возможной вулканической активности также важен с точки зрения безопасности будущих миссий. Хотя вероятность извержения в обозримом будущем оценивается как крайне низкая, понимание геологической активности планеты является необходимым элементом планирования.
Заключение
Открытие ускорения вращения Марса и его вероятная связь с гигантскими магматическими плюмами под вулканической провинцией Тарсис стало одним из важных научных результатов последних лет. Данные, собранные аппаратом NASA InSight (НАСА ИнСайт) и дополненные полувековым архивом гравитационных измерений, позволили учёным выдвинуть обоснованную гипотезу о продолжающейся внутренней активности Красной планеты.
Марс, десятилетиями считавшийся геологически инертным телом, оказался планетой с активными глубинными процессами. Горячая магма, поднимающаяся с глубины 1 200 километров, изменяет распределение массы внутри планеты и заставляет её вращаться быстрее. Гигантские вулканы провинции Тарсис могут оставаться не потухшими, а лишь спящими.
Дальнейшие исследования, включая новые миссии по гравитационному картографированию и развёртывание сейсмических сетей на поверхности Марса, позволят проверить и уточнить эту гипотезу. Марс продолжает преподносить сюрпризы, напоминая о том, как много ещё предстоит узнать о ближайших соседях Земли в Солнечной системе.
#Марс #вращениеМарса #космос #NASA #вулканыМарса