عندما لاحظ الإغريق الأضواء الشاردة في السماء - والتي أطلقوا عليها اسم الكواكب - ربما لم يتصوروا أبدًا أنه في يوم من الأيام ، يمكننا بالفعل الوصول إلى أسطح بعضها لاستكشاف انويتها
في مايو 2018 ، أطلقت ناسا مهمة InSight: الاستكشاف الداخلي ، والتحقيقات الزلزالية ، والجيوديسيا ، والنقل الحراري. عند وصوله بنجاح على سطح المريخ في نوفمبر 2018 ، كان المسبار يعمل بلا كلل ، ويستمع إلى "الأصوات" الداخلية للمريخ.
بعد ما يقرب من ألف يوم على كوكب المريخ ، أصبح العلماء مستعدين للإعلان عن نتائجهم الأولية حول طبقات المريخ: القشرة ، والعباءة ، واللب. نُشرت النتائج أمس في ثلاثة مقالات في عدد 23 يوليو من مجلة Science.
حقق الباحثون في البيانات التي أنتجتها أداة SEIS: التجربة الزلزالية للبنية الداخلية للمريخ ، والتي يمكنها اكتشاف الموجات الناشئة عن الزلازل داخل الكوكب.
كيف تساعد مثل هذه الزلازل العلماء على فحص الجزء الداخلي من الكوكب؟
اكتشاف بنية الكواكب الصخرية بالاستماع إليها
هنا على الأرض ، يستخدم الجيوفيزيائيون عدة طرق لاستكشاف داخل الكوكب دون حفر. من أكثر الطرق شيوعًا المسح الزلزالي ، والذي يتكون من اكتشاف الاهتزازات القادمة من داخل الكوكب.
على غرار عمليات الفحص بالموجات فوق الصوتية التي تسمح لأخصائي التوليد برؤية صور للجنين داخل جسم الأم ، تسمح الطرق الزلزالية للجيوفيزيائيين بتصوير داخل الأرض للحصول على معلومات قيمة حول هيكلها وتكوينها.
الزلازل هي اهتزازات تنتقل داخل الكوكب على شكل موجات أو موجات زلزالية. عندما تمر الموجات الزلزالية من مادة إلى أخرى ، ينحني جزء منها ، تمامًا مثل دخول الضوء إلى كوب من الماء ، بينما تنعكس الموجات المتبقية في الحدود بين المادتين. اعتمادًا على طبيعة الطبقات ، أي ما إذا كانت صخرية أو مادة سائلة ، تتسارع الموجات الزلزالية أو تبطئ. تكتشف الأدوات هذه التغييرات في الأمواج ، ويستخدم الجيوفيزيائيون هذه البيانات لتصوير باطن الأرض.
التغييرات في الوسائط تزعج مكونات الموجة الزلزالية: الموجات S و الموجات P. تشبه الموجات P الزنبرك ، بينما تسبب الموجات S تغيرات في شكل المادة دون تغيير حجمها. تحتاج الموجات S إلى مواد مرنة لتنتشر ، وبالتالي لا يمكنها السفر في السوائل غير المرنة: فقط الموجات P هي التي تنجو من الانتشار عبر السوائل. عندما تغادر الموجات الزلزالية السائل ، تُفقد المعلومات المتعلقة بالموجات S جزئيًا: يرى الكاشف موجات P. بهذه الطريقة ، يعرف الجيولوجيون أن الأمواج قد مرت عبر سائل.
الموجات الأولية (موجات P) هي موجات انضغاطية ذات طبيعة طولية. موجات P هي موجات ضغط تنتقل أسرع من الموجات الأخرى عبر الأرض لتصل إلى محطات قياس الزلازل أولاً ، ومن هنا جاء اسم "أساسي". الموجات الثانوية (موجات S) هي موجات قص عرضية في الطبيعة. بعد وقوع حدث زلزال ، تصل موجات S إلى محطات قياس الزلازل بعد موجات P التي تتحرك بشكل أسرع وتزيح الأرض بشكل عمودي على اتجاه الانتشار
تؤثر تدرجات درجة الحرارة أيضًا على سلوك الموجات الزلزالية ، تمامًا مثل كيفية تغير معامل الانكسار للهواء في يوم حار. توفر هذه التغييرات للعلماء معلومات قيمة حول الجزء الداخلي من المكان الذي يبحثون فيه.
لذا ، إذا كان بإمكان العلماء الاستماع إلى باطن الأرض ، فلماذا لا يكون كوكبًا صخريًا آخر؟
فهم باطن المريخ خلال طبقات
تخبرنا الموجات الزلزالية عن خصائص وحدود باطن الكوكب. يتم الكشف عن موجات القص التي تنتقل من المستنقعات وتعكس قلب الحديد والنيكل بواسطة مقياس الزلازل Insight ويعطينا تقديرًا لحجم اللب. تظهر قوة الموجات المنعكسة أن اللب في حالة سائلة ، والتي لا يمكن لموجات القص أن تنتشر خلالها.
القشرة
قامت بريجيت كنابماير-إندرون ، من جامعة كولونيا بألمانيا ، ومتعاونون بالتحقيق في سمك وبنية قشرة المريخ. وجدوا دليلًا على وجود بنية سميكة متعددة الطبقات ذات واجهتين أو ثلاث واجهات.
أظهرت نماذجهم "أعماق قوية ومتسقة للواجهتين الضحلة" تحت موقع هبوط Insight. ستكون الطبقة الأولى حوالي 6 إلى 11 كيلومترًا ، بينما ستكون الطبقة الثانية على عمق 15 إلى 25 كيلومترًا.
استقراء نموذجهم على الكوكب كله ، قدر العلماء متوسط سمك قشرة المريخ بين 24 و 72 كيلومترًا.
عباءة
أمير خان من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في Zürich-ETH ومعاونوه قاموا بالبحث في هيكل الوشاح العلوي للمريخ. بالاستماع إلى عمق 800 كيلومتر داخل المريخ ، قاموا بجمع البيانات من الاهتزازات القادمة في أقل من موجة واحدة في الثانية (أقل من 1 هرتز).
بالتركيز على ثمانية أحداث واضحة ، تشير النتائج إلى أن المريخ به غلاف صخري كثيف يقع بالقرب من 500 كيلومتر تحت السطح. يتم تعريف الغلاف الصخري بواسطة القشرة بالإضافة إلى الوشاح العلوي. على الأرض ، يبلغ سمكها 80 كم فقط في المتوسط.
كما تلقي التحقيقات الزلزالية الضوء على الكيمياء الجيولوجية المحلية. وأوضح أمير خان كذلك النتائج التي توصلوا إليها:
"أظهرت دراستنا أنه عند مقارنة النتائج الزلزالية لسمك القشرة والغلاف الصخري والتدرجات الحرارية للغطاء العلوي مع حسابات التطور الحراري التي تشكل نموذجًا لتطور المريخ على مدار 4.5 مليار سنة تقريبًا ، تحتوي القشرة على عناصر مشعة أكثر مما كنا نعتقد سابقًا . استندت التحديدات السابقة إلى بيانات مقياس طيف أشعة غاما التي تم الحصول عليها من القمر الصناعي Mars Global Surveyor (MGS) في مدار حول المريخ منذ حوالي 10 سنوات. لكن MGS قامت بقياس محتوى العنصر المشع للمادة السطحية ، بينما كنا نبحث داخل القشرة. من هنا تأتي الاختلافات. وهذا يعني أن القشرة تختلف في العمق عما يُرى على السطح (على الأقل من وجهة نظر محتوى العنصر المشع).
النواة
Simon Stähler من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في Zürich-ETH والمتعاونون الذين قاموا بالتحقيق في انعكاس الموجات الزلزالية من ما يفسره على أنه جوهر المريخ. تكشف هذه الموجات عن قلب سائل ضخم من الحديد والنيكل يبلغ نصف قطره حوالي 1830 كيلومترًا ، والذي يبدأ تقريبًا في منتصف المسافة بين السطح ومركز الكوكب.
يوضح مقالهم أن "قلبًا كبيرًا يتراوح نصف قطره بين 1800 و 1900 كيلومتر سيتم إثرائه بالعناصر الخفيفة".
هذه العناصر الأخرى "ربما تكون الكبريت (أقل من 10٪) ، الأكسجين (أقل من 2٪) ، الهيدروجين والكربون (كلاهما أقل من 1٪). لكن هذا المزيج لا يكفي لإنشاء مثل هذا الضوء. قال سيمون ستهلر: "لذلك يجب أن يكون هناك شيء ما حول تكوين المريخ لم نفهمه بعد".
زلازل المريخ والنيازك والنشاط التكتوني على المريخ
المريخ ، من نواح كثيرة ، كوكب صخري ميت. ليس لديها صفائح تكتونية تتحرك كما هو الحال هنا على الأرض. إذن ، من أين تأتي كل هذه المستنقعات التي اكتشفها InSight ؟ ما نوع النشاط التكتوني الذي يمتلكه المريخ؟
أوضحت بريجيت كنابماير-إندرون:
"زلازل المريخ ، مثلها مثل العديد من الزلازل ، ناتجة عن صدوع - كسور صخرية ناتجة عن الإجهاد في الطبقة الخارجية الهشة للكوكب. لا تزال الصدوع تتشكل في قشرة المريخ بسبب الضغوط الناجمة عن الانكماش الطفيف للكوكب بسبب البرودة. لذلك ، هناك نشاط تكتوني على المريخ ، يتضح أيضًا من خلال الإزاحات على طول الصدوع التي تم رصدها من المدار ".
يتمتع المريخ بجو رقيق للغاية ، والكثير من النيازك تؤثر على سطحه. ومع ذلك ، لم تكتشف InSight حتى الآن "أي آثار نيزكية في البيانات الزلزالية" ، كما قال أمير خان ، وأوضح:
"لقد رأينا بالفعل مواقع على سطح المريخ حيث أظهرت الصور حدوث تأثير خلال حوالي عام واحد. ومع ذلك ، لم نتمكن من تحديد موقع هذه التأثيرات في البيانات الزلزالية. ربما لأن التأثيرات صغيرة جدًا وبعيدة جدًا ".
حفرة سيربيروس
وفقًا لبيرجيت كنابماير-إندرون ، يبدو أن الزلازل الأكثر أهمية التي سجلتها InSight تأتي من Cerberus Fossae ، وهي "منطقة بها عيوب وآثار للنشاط البركاني الأخير".
يعتبر العلماء سيربيروس فوساي أصغر منطقة سنا على المريخ. يُظهر نشاطًا من 25 مليون سنة الماضية ، على عكس بقية سطح الكوكب ، الذي يبلغ عمره مليارات السنين ويحتوي على شقوق كبيرة مليئة بحمم بركانية عمرها 10 ملايين سنة. وفقًا لبيرجيت كنابماير-إندرون:
رصدت المركبات الفضائية التي تدور في مداراتها آثار الصخور التي ربما اهتزت أسفل المنحدرات الشديدة بفعل الزلازل. تم تحديد هذه المنطقة في الواقع كمصدر محتمل للزلازل قبل المهمة. لذلك نعتقد أن مجموعة واحدة على الأقل من الزلازل ، وهي عائلة الأحداث منخفضة التردد التي تم استخدامها في جميع الدراسات الثلاث حول المناطق الداخلية ، هي بالفعل أحداث تكتونية ".
أظهرت الدراسات السابقة أن الكثير من قشرة المريخ تشكلت في وقت مبكر من تاريخ الكوكب ورافقها نشاط بركاني كبير. لكن اليوم ، إله الحرب هو في الواقع كوكب مسالم للغاية.
Simon Stähler متفائل بشأن مستقبل التحقيق:
"سنعمل لمدة عام آخر على الأقل وهذا هو الوقت الذي يكون فيه الطقس مناسبًا للغاية لمراقبة الزلازل (نظرًا لوجود رياح قليلة تهز المسبار وتحدث ضوضاء). لذلك نأمل أن يمنحنا هذا العام الكثير من البيانات. أيضا ، نأمل في الكشف عن الزلازل من الجانب الآخر من الكوكب ، والتي تنتشر فيها الموجات عبر اللب ، حتى نتعرف على سرعة الموجات في الداخل. حتى الآن لم نحصل إلا على انعكاسات من الخارج ".
تعمل دراسة الهيكل الداخلي للمريخ على تحسين فهمنا لكيفية تشكله وتطوره عبر الزمن. علاوة على ذلك ، قد يوفر أدلة على التكوين المبكر للكواكب الصخرية في النظام الشمسي الداخلي - عطارد والزهرة والأرض والمريخ - قبل أكثر من 4 مليارات سنة ، وكذلك الكواكب الخارجية الصخرية.
المصدر