Nowa symulacja jądra Marsa może wyjaśnić, w jaki sposób utracił on swoje pole magnetyczne

Mars Jest to sucha planeta rządzona przez globalne burze piaskowe. To także zamarznięty świat, z temperaturami w zimie na biegunach do minus 140 stopni Celsjusza (minus 220 Fahrenheita).

Ale nie zawsze były to suche, jałowe, zamarznięte pustkowia i niegościnne. Było to ciepłe, wilgotne, prawie zachęcające miejsce, gdzie płynna woda spływała po powierzchni, wypełniając jeziora, rzeźbiąc kanały i pozostawiając delty osadów.

Ale potem stracił swoje pole magnetyczne i bez ochrony, którą zapewniało, Słońce ogołociło atmosferę planety. Bez atmosfery woda znika.

Teraz Mars jest Marsem, którego znaliśmy od zawsze: miejscem, które gościnnie uważa tylko za roboty.

Jak dokładnie stracił tarczę magnetyczną? Naukowcy od dawna intrygują.

Tarcza magnetyczna ma kluczowe znaczenie dla utrzymania ziemskiej atmosfery i zdatności do zamieszkania. Bez niego Ziemia byłaby jak Mars. Ale Ziemia zachowała swoją ochronę, a Mars nie. Tak więc Ziemia jest „rozdarta życiem”, powiedział Carl Sagan, podczas gdy Mars byłby prawdopodobnie całkowicie pozbawiony życia.

Mars ma słabą pozostałość pola magnetycznego emanującego z jego skorupy, ale jest to słabe zjawisko, które zapewnia niewielką ochronę.

Utrata magnetosfery była na Marsie katastrofalna. Jak to się stało?

Nowy Badanie opublikowane w Komunikacja przyrodnicza Próbuje odpowiedzieć na to pytanie, podobnie jak wiele poprzednich badań. Tytuł brzmi: „Stratyfikacja w rdzeniach planetarnych przez niemieszalność cieczy w Fe-SH”. Głównymi autorami są Kei Hirose z Wydziału Nauk o Ziemi i Planetarnych Uniwersytetu Tokijskiego oraz doktorant. Studentka Shunpei Yokoo w laboratorium Hirose’a.

Jądro Ziemi wytwarza efekt magnetyczny, który generuje pola magnetyczne naszej planety. Istnieje stały rdzeń wewnętrzny i zewnętrzny rdzeń płynny.

Ciepło przepływa z rdzenia wewnętrznego do rdzenia zewnętrznego, generując prądy konwekcyjne w zewnętrznym rdzeniu płynnym. Prądy konwekcyjne płyną we wzorcach spowodowanych obrotem planety, wewnętrznym jądrem i efektem Coriolisa. To tworzy magnetosferę planety.

Magnetosfera otacza Ziemię jak ochronny koc. Wiatr słoneczny uderza w magnetosferę, a magnetosfera zmusza go do opływania planety zamiast dotarcia do atmosfery lub powierzchni.

Magnetosfera nie jest kulą: wiatr słoneczny przesuwa magnetosferę do asymetrycznego kształtu. Magnetosfera uniemożliwia wiatrowi słonecznemu zdzieranie atmosfery ziemskiej. Bez niego Ziemia byłaby sucha, martwa i jałowa, tak jak Mars.

Więc co się stało z Marsem?

„Pole magnetyczne Ziemi jest napędzane przez niewyobrażalnie ogromne prądy konwekcyjne roztopionych metali w jej jądrze. Uważa się, że pola magnetyczne na innych planetach działają w ten sam sposób”. Powiedział w komunikacie prasowym.

„Chociaż wewnętrzny skład Marsa nie jest jeszcze znany, dowody z meteorytów wskazują, że jest to stopione żelazo wzbogacone siarką. Co więcej, odczyty sejsmiczne z sondy Insight NASA na powierzchni mówią nam, że jądro Marsa jest większe i mniej gęste niż wcześniej sądzono. Są to rzeczy, które wskazują na obecność dodatkowych lżejszych pierwiastków, takich jak wodór.

Agencja NASA Pojazd inspekcyjny Starała się osiągnąć wszystkie swoje cele naukowe. Ale zebrał kilka kluczowych dowodów dotyczących wewnętrznej struktury Marsa. Jeśli wyniki InSIGHT są poprawne i jeśli sugerowany wodór jest obecny, istnieje podstawa do eksperymentów, które mogą ujawnić więcej na temat brakującej osłony magnetycznej Marsa.

(NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Star)

nad Wizualizuj prądy elektryczne wokół Marsa. Prądy elektryczne (niebieskie i czerwone strzałki) otaczają Marsa naprzemienną, dwupierścieniową strukturą, która nieustannie kręci się wokół planety od strony dziennej do nocnej. Te pierścienie prądowe zniekształcają pole magnetyczne wiatru słonecznego (nie pokazano), który owija się wokół Marsa, tworząc indukowaną magnetosferę wokół planety.

„Dzięki tym szczegółom przygotowujemy sztabki żelaza, które, jak się spodziewamy, tworzą rdzeń i poddajemy je eksperymentom” – Hirose Powiedział.

W poprzednich eksperymentach badano zachowanie jąder planetarnych w różnych temperaturach i temperaturach. Ale nie skupili się na wodorze.

„Współczesne teorie powstawania planet pokazują, że znaczna ilość wody została dostarczona zarówno na Marsa, jak i na Ziemię w miarę akrecji, co wskazuje, że wodór może być głównym składnikiem optycznym jądra” – powiedzieli autorzy. wyjaśniać w swoim artykule. „Chociaż system Fe-SH jest ważny, niewiele go zbadano pod wysokim ciśnieniem”.

Ale jeśli dane z InSIGHT są poprawne, wodór w jądrze Fe-SH może odgrywać rolę w zapadaniu się pola magnetycznego Marsa.

Naukowcy przygotowali fizyczną próbkę, która pasuje do tego, z czego, jak sądzą, kiedyś składał się rdzeń Marsa. Zawierał żelazo, siarkę i wodór – Fe-SH. Umieścili próbkę w urządzeniu zwanym kowadłem diamentowym lub komórką kowadła diamentowego (DAC).

Diamentowe ogniwo kowadła używane w eksperymentach. (Yoko i in.)

Kowadełko diamentowe ściska próbki między dwiema małymi płytkami diamentowymi. Diamenty mogą wytrzymać ekstremalne naciski w kowadle, ponieważ powstały pod ekstremalnym naprężeniem głęboko w ziemi.

DAC może poddawać mikroskopijne próbki ciśnieniu setek gigapaskali. Laser podgrzał próbkę tak, że warunki symulowały serce Marsa. Kiedy zespół poddał próbkę działaniu wyższych temperatur i ciśnień, obserwowali ją za pomocą promieni rentgenowskich i wiązek elektronów, aby śledzić zmiany w materiale. Próbka Fe-SH nie tylko uległa stopieniu, ale także zmieniła swój skład.

Wyniki eksperymentu skupiają się na idei mieszania. Gdy substancje są dodawane razem i tworzą jednorodną mieszaninę, są one mieszalne. Gdy substancje są dodawane razem i nie tworzą jednorodnej mieszaniny, nie mieszają się. Niemieszalność Fe-SH w wysokich temperaturach i ciśnieniach odegrała ważną rolę w historii Marsa.

„Byliśmy bardzo zaskoczeni, widząc pewne zachowanie, które może tak wiele wyjaśnić” – powiedział Hirose Powiedział W komunikacie prasowym. „Początkowo jednorodny Fe-SH rozdzielił się na dwie odrębne ciecze o poziomie złożoności, którego wcześniej nie widzieliśmy pod tego rodzaju ciśnieniem” – powiedział Hirose. „Jeden z płynów zawierających żelazo był bogaty w siarkę, a drugi w wodór, i to jest kluczem do wyjaśnienia narodzin i ostatecznej śmierci pola magnetycznego wokół Marsa”.

Hirose i jego zespół uważają, że początkowo w jądrze Marsa rozdzieliły się dwie niemieszające się ze sobą ciecze.

„Podczas gdy gęstsze płyny pozostają oddzielone w najgłębszej części, lżejsze płyny migrują w górę i mieszają się z masowym płynnym jądrem, co może napędzać konwekcję jądra Marsa” piszę.

Ale w obszarze, w którym rozdzieliły się te dwa płyny, wydarzyło się coś innego. „W tym samym czasie na obszarze, w którym nastąpiła separacja płynów, powinna powstać stabilna grawitacyjnie stratyfikacja składu. W końcu całe jądro Marsa uległo stratyfikacji, zatrzymując konwekcję”.

(Yokoo i in., Wspólnota Narodowa, 2022)

nad: Ta figura z artykułu pokazuje, w jaki sposób jądro Marsa i jądro Ziemi zaczęły się podobnie, a następnie zmieniały się w czasie. Jasnoniebieski i ciemnoniebieski reprezentują odpowiednio spuchnięte i gęste płyny.

Naukowcy już wiedzieli, kiedy konwekcja ustała, a Mars stracił tarczę magnetyczną. Stało się to około 4 miliardów lat temu. To badanie wyjaśnia, dlaczego konwekcja kończy się, powodując utratę osłony magnetycznej.

Wyjaśnia również, jak to się zaczęło. „Oddzielenie niemieszających się płynów bogatych w S i H może być odpowiedzialne zarówno za początek i koniec konwekcji pierwotnej Marsa, jak i ruch dynama” piszę w swoim artykule.

Po rozdzieleniu dwóch likwidatorów Mars był skazany na zagładę. Nie ma już konwekcji, magnetyzmu, atmosfery, wody. Dokładne ramy czasowe nie są znane, ale rezultatem była martwa planeta.

Jest to jednak tylko jedno badanie i nie mamy pełnego obrazu. „Mając na uwadze nasze wyniki, mamy nadzieję, że dalsze badania sejsmiczne Marsa potwierdzą, że rdzeń rzeczywiście znajduje się w tak wyraźnych warstwach, jak się spodziewamy”. Powiedział Hirose. „Jeśli tak, pomogłoby nam to dokończyć historię powstawania planet skalistych, w tym Ziemi, i wyjaśnić ich powstawanie”.

Wiemy, że Ziemia nie będzie zdatna do zamieszkania na zawsze. Za około 5 miliardów lat Słońce wejdzie w fazę czerwonego olbrzyma i zniszczy Ziemię. Ale nasza ochronna tarcza magnetyczna też nie będzie trwać wiecznie i bez niej jesteśmy skazani na porażkę. Co stanie się najpierw? Umierać przez utratę magnetosfery? Albo śmierć czerwonego olbrzyma?

„I możesz pomyśleć, że Ziemia może pewnego dnia stracić swoje pole magnetyczne” Hirose PowiedziałAle nie martw się, to się nie stanie przez co najmniej miliard lat.

Mamy więc miliard lat. Nie marnujmy tego.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany przez wszechświat dzisiaj. Czytać oryginalny artykuł.