Две разные половины одного Марса

Марс содержит одну из самых больших загадок Солнечной системы — «марсианскую дихотомию». Всё южное и часть северного полушария Марса заполнены возвышенностями. Эта гористая зона занимает примерно две трети поверхности и возвышается на пять-шесть километров над северными низинными районами. Если бы на Марсе существовал океан, мы бы видели один огромный южный суперконтинент и северный мировой марсианский океан. Нигде в Солнечной системе нет такого крупного и резкого контраста между целыми полушариями космического тела. Ближайший земной аналог — это Тихий океан и остаток планеты, на котором расположены несколько континентов и океанов меньшего размера, но и здесь контраст не такой разительный, как на Марсе.

Марсианская станция InSight находится возле границы, разделяющей эти две половинки Марса, и может с равным успехом улавливать землетрясения с южной и северной стороны. Анализируя различия в распространении сейсмоволн из двух полушарий, можно раскрыть эту марсианскую тайну или несколько приблизиться к разгадке.

Две половины Марса различаются не только преобладающими высотами. Южное полушарие заполнено кратерами и замёрзшими потоками вулканической лавы. Напротив, поверхность северного полушария гладкая и почти плоская, на ней практически отсутствуют выделяющиеся формы рельефа. Также из геофизических и астрономических измерений нам известно, что марсианская кора значительно толще в южном полушарии. Более того, южные горные породы носят значительные следы намагниченности. Вероятно, образовались они на ранних этапах марсианской истории, когда планета обладала магнитным полем, опять в отличие от пород северного полушария. На Земле толщина земной коры (глубина раздела между земной корой и мантией) резко различается под океанами и континентами: под океанами её толщина всего 5-10 км, а материковая простирается на несколько десятков километров. Кроме того, значительно различается её состав, поэтому говорят о континентальной и океанической земной коре, сложенной соответственно гранитами и базальтами. Также океанская кора значительно моложе континентальной — её возраст измеряется десятками миллионов лет, тогда как самые старые области континентов (кратоны) уходят в протерозой и архей и насчитывают пару миллиардов лет. Заманчиво эти все достижения земной геологической науки экстраполировать на Марс с похожими выводами.

“Марсианскую дихотомию” открыли в 1970-е годы, когда на фотографиях зонда “Викинг” обнаружилось различие в высотах рельефа и в плотности ударных кратеров. Плотность кратеров может служить указанием на возраст поверхности — чем кратеров больше, тем больше времени прошло от формирования данного участка. На Земле кратеры быстро “зарастают” из-за активных геологических процессов — в частности, движения тектонических плит и в основном эрозии, поэтому их не получится использовать для исследования геологических эпох. Но на каменных космических телах, тех же Луне и Марсе, кратеры сохраняются миллиарды лет, и их плотность — один из основных способов геологической датировки. Так, самое первое разделение поверхности Марса на три геологические эры (нойская, гесперийская и амазонская, которая продолжается сейчас) провели, заметив качественные различия в плотности метеоритных кратеров. Южное полушарие Марса изобилует ударными кратерами и является самой старой территорией планеты, а в северном расположены самые молодые земли.

Также считается, что на Марсе когда-то существовал океан жидкой воды, и, вероятно, он располагался в северных низинах. Но так считают не все. О наличии в древности океана мы узнаём по соответствующим осадочным отложениям, минералам (например, таким, которые заведомо формируются в водной среде) и по формам рельефа — например, указывающим на древнюю береговую линию. Но почти все такие свидетельства могут в зависимости от предпочтений планетолога быть интерпретированы как за, так и против существования океана.

Причина «марсианской дихотомии» — основной предмет споров планетологов. Непонятно, какая космическая сила или внезапная катастрофа, или внутренние естественные процессы на ранней стадии марсианской истории привели к различию между полушариями. Гипотезы о её происхождении разделяются на две большие группы. Студенты, изучающие предмет «Общая геология» на любой специальности легко назовут их самостоятельно. Как и две крупные группы, на которые подразделяются все геологические процессы, гипотезы классифицируются как эндогенные и экзогенные. Эндогенные ищут причины во внутреннем строении планеты, в частности, разогреве от марсианского ядра и движении мантийных потоков. Экзогенные предполагают, что причина различия пришла из космоса. Это могло быть катастрофическое соударение с крупным астероидом размером с Луну, или серия столкновений с более мелкими телами на ранних этапах марсианской истории.

На Земле в распоряжении геологов — данные от сотен сейсмостанций, которые позволяют локализовать место любого землетрясения. На Марсе все такая информация идёт от единственной работавшей до недавнего времени сейсмостанции InSight. Ввиду невозможности триангуляции по одной-единственной точке для локализации марсотрясений остаются некоторые косвенные методы извлечения информации из данных InSight. Например, можно измерять время задержки между первичной и вторичной сейсмоволной (P- и S-волнами). Их скорости различны и известны по “земным” условиям, поэтому разница времени прихода указывает на расстояние от центра землетрясения. Далее, анализируя направление смещения частиц почвы под станцией, можно определить направление на эпицентр. Методика, разумеется, нуждается в валидации по известным сейсмическим событиям с чётко определённой локацией. И как раз в условиях Марса такие события у планетологов имеются — это удары крупных метеоритов, которые вызывают сейсмические толчки (их также регистрирует InSight). В свою очередь, падение метеоритов иногда фиксируют камеры марсианских орбитальных станций, если им случится пролетать в нужное время и в нужном месте. Оказалось, что такой метод “триангуляции по одной точке” правильно указал на известное сейсмическое событие — кластер марсотрясений в локации под названием Terra Cimmeria в южном полушарии Марса.

После этого можно сравнить потери энергии при распространении сейсмических волн из разных локаций, имея в распоряжении базу по «северным» и «южным» сейсмособытиям. Энергия волны гасится горными породами по пути распространения, и по скорости затухания можно судить о физических свойствах пород. В частности, удобным оказалось сравнить распространение поперечных более медленных S-волн. Оказалось, что волны, распространяющиеся по южному полушарию, теряют энергию быстрее. Самое вероятное объяснение — горные породы в южном полушарии на глубине в среднем разогреты больше, чем в северном.

Итак, температурные различия между двумя марсианскими полушариями — это аргумент в пользу эндогенного объяснения марсианской дихотомии.

В определённый период Марс имел тектонику плит, как Земля. Перемещение литосферных плит и движение размягчённых пород под ними (аналога земной астеносферы) из-за разогрева от марсианского ядра создало такую дихотомию. Вероятно, ближайшим земным аналогом здесь было бы образование в определённые геологические эпохи суперконтинента, такого, как Пангея, с тем, что области континентальной коры собрались в одном месте земного шара, тоже фактически создав дихотомию полушарий. Затем тектоника плит на Марсе, в отличие от Земли, оказалась «замороженной», вероятно, вследствие остывания ядра планеты.

Но чтобы решить вопрос марсианской дихотомии окончательно, нам потребуется больше марсотрясений, и, самое главное — больше приборов для их наблюдения.