Egy eddig ismeretlen folyékony réteg rejtőzhet a Mars köpenyének mélyén, aminek gyökeres hatása lehetett a bolygó fejlődésére – derül ki két friss kutatásból, amik együtt segíthetnek megérteni, miért lett az egykor folyékony vízzel borított bolygóból mára egy olyan hely, ami barátságtalan környezetet nyújt az életnek.

Az amerikai űrügynökség (NASA) InSight marsszondájának 2021-es mérései és geofizikai modellek alapján felfedezett, a Mars folyékony magját körülvevő réteg átírja a bolygó belső szerkezetéről alkotott képünket. Henri Samuel, a Francia Nemzeti Tudományos Kutatási Központ (CNRS) kutatója és kollégái, valamint Amir Khan, a zürichi Szövetségi Műszaki Egyetem (ETH) geofizikusa és munkatársai szerdán közölték eredményeiket a Nature folyóiratban.

A négy évig marsrengések után fülelő InSight mérései alapján eddig úgy tűnt, hogy a bolygó vas magja 1830 kilométeres sugarú, és tömegének jelentős hányada, több mint 20 százaléka olyan könnyű elemekből áll, mint a hidrogén, oxigén, szén vagy a kén. Ennyi illékony elem azonban más kutatások szerint nem nagyon állhatott rendelkezésre azokban a bolygókezdeményekben, amikből a Mars kialakult. A köpeny alján található, nagyrészt szilikátokból álló réteg (basal mantle layer, BML) feloldja ezt az ellentmondást, és arra utal, hogy a mag jelentősen sűrűbb, azaz több nehéz elemet tartalmaz, és sugara közel 150 kilométerrel kisebb, mint gondolták.

„A köpeny alján található réteg szinte mindent befolyásol, ami a Mars kémiai és hőtani fejlődésével összefügg” – nyilatkozta a Qubitnek Samuel, aki kollégáival egy két évvel ezelőtt megjelent tanulmányban elemezte, hogy milyen hatásai lennének a bolygóra egy ilyen rétegnek. Ebben többek közt arról írnak, hogy a struktúra jelentősen lelassíthatja a bolygó mélyének kihűlését, és átírhatja, hogy miként kell értelmezni az InSight által gyűjtött adatokat.

A kutatási eredményeket a Nature-nek kommentáló Suzan van der Lee, az amerikai Northwestern Egyetem bolygókutatója szerint az eredmények kibővítik a tudásunkat a mélyen a Mars kérge alatt elhelyezkedő rétegekről, és segítik összehangolni a Mars belsejéről meglévő ismereteinket a Naprendszerünk kőzetbolygóinak keletkezését és fejlődését leíró forgatókönyvekkel.

Van der Lee szerint bár mindkét kutatócsoport arra jut, hogy a réteg teljesen körbeveszi a Mars magját, a rengéshullámok, amelyekre eredményeiket alapozzák, nem reprezentálják a teljes bolygó szerkezetét. Emiatt további, a Mars felszínén különböző helyekről végzett mérésekre lenne szükség, de mint hozzáteszi, egyelőre nincsenek a tervezőasztalon ilyen jövőbeli küldetések.

Egy becsapódásnak köszönhető a felfedezés

A köpeny homogén szerkezetének megkérdőjelezésére az InSight által 2021 szeptemberében észlelt több mint 4 magnitúdós, S1000a kódjelű rengés vezette a kutatókat. Ezt, ahogy arról korábban írtunk, egy meteoroid becsapódása okozta, amely a szondától 7500 kilométerre vájt krátert a bolygó felszínén, aminek helyét később a NASA Mars Reconnaissance Orbiter keringőegységével sikerült pontosan azonosítani.

A szeizmikus jeleket akkor a kutatók a marsi mag-köpeny határról (core-mantle boundary, CMB) szóródó longitudinális (P) hullámokként értelmezték, de több száz modell közül csak néhány volt képes megmagyarázni azt, hogy miért éppen a mért időkülönbséggel értek ezek, valamint a felszínről visszaverődő hullámok a szondához.

A mérések és a modellek abban az esetben passzolnak – írják Samuelék a tanulmányban –, ha a Mars köpenye nem homogén, mint ahogy eddig feltételezték, és a longitudinális hullámok a mélyebb rétegeiben jelentősen lelassulnak. Khan és kollégái tanulmányukban a köpeny alján található réteg vastagságát 150 kilométerre teszik, ami 1675 kilométeres magsugarat eredményez.

Samuel és munkatársai ettől kissé eltérően arra jutnak, hogy a réteg 170 kilométer vastag, és egy teljesen olvadt alsó részből, valamint egy részlegesen olvadt felső részből áll. A mag sugarára ők 1650 kilométert kapnak, és a két kutatás nagyjából 80-90 százalék közé teszi a nehéz elemek arányát annak belsejében.

Gyökeres hatása volt a bolygó fejlődésére

De hogyan hatott a köpeny alján található réteg olyan, a bolygó felszínét átformáló erőkre, mint a vulkanizmus? Samuel szerint a BML nagy mértékű hőt tárol és megakadályozza, hogy a mag lehűljön és átadja a hőjét a köpenynek. „Ez a kettős hatás egy szilárd köpenyt alakít ki a BML felett, ami összességében hidegebb, mint amilyen a BML hiányában lenne. A hidegebb köpeny pedig kevésbé kiterjedt vulkáni tevékenységet eredményez a felszínen, valamint egy vékonyabb kérget, ami gyorsabban alakult ki [az eddig gondoltnál], átlagosan kevesebb, mint 500 millió év alatt” – írta.

A kutatót arról is kérdeztük, hogy mennyire lehet általánosítható a Mars belső szerkezete más csillagok körül keringő, hasonló méretű bolygókra. Samuel azt állítja, hogy a BML kialakulása egy valószínű kimenetel lehet a kőzetbolygóknál, amelyeknél egy fémekből álló magot szilikátos réteg borít be, mert ezek fejlődésük során átesnek egy globális magmaóceán állapoton. „Kőzettani kísérletekből tudjuk, hogy a megszilárdulásakor a lehűlő magmaóceánból eltérő összetételű régiók jönnek létre, mert a kémiai elemek különböző mértékben kötődnek a szilárd és folyékony fázisokhoz. A Földön a legtöbb ilyen heterogenitás látszólag eltűnt, talán azért, mert a köpeny konvektív áramlásai homogenizálták őket” – írta. A kutató szerint ennek ellenére lehetséges, hogy a Mars mellett más kőzetbolygókon a magmaóceán megszilárdulásának maradványai máig megőrződhetettek.

A réteg miatt nem alakulhatott ki hosszú életű mágneses tér

A Marsot védő globális mágneses tér 3,8-4 milliárd évvel ezelőtt szűnt meg, ami után a bolygó légköre ki volt téve a napszél eróziós hatásának. Samuel és kollégái szerint ahhoz, hogy egy hő által hajtott dinamó mágneses teret hozzon létre, hatékony konvekcióra van szükség a magban, ami hőveszteséget feltételez a mag-köpeny határon. Ezt viszont a köpeny alján található réteg fűtő hatása meggátolja, ami a kutatók szerint kizárja, hogy ilyen, hő által hajtott dinamó működött volna az ősi Marson.

Kérdésünkre, hogy a köpenybeli réteg kialakulása eleve garantálta-e, hogy a Mars csak rövid ideig lesz lakható bolygó, Samuel úgy reagált, hogy „a mágneses tér valóban megvédi a bolygót a napszéltől. Emiatt nem lehetetlen, hogy a hiánya hatással volt a Mars lakhatóságára és különösen arra, hogy vastag légkört tartson fent és folyékony víz legyen a felszínén.” A kutató szerint ugyanakkor ebben más tényezők is szerepet játszhattak, például az, hogy a Földdel ellentétben a Marson nincs aktív lemeztektonika.

A szakemberek tanulmányukban azt állítják, hogy a bolygó korai mágneses dinamóját külső források, például kolosszális becsapódások, vagy a köpeny alján található réteg kialakulása során történő anyagkeveredés következtében a mag és köpeny között fokozódó hőáramlás válthatta ki. Ezek és más feltételezett mechanizmusok néhány száz millió évig működtethették a bolygó mágneses terét.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: