Tra il 2019 e il 2022, il lander della NASA InSight ha rilevato centinaia di terremoti. Le onde simiche risuonanti nelle viscere del pianeta hanno aiutato gli scienziati a mappare la struttura interna, comprese le dimensioni e la composizione del nucleo e hanno fornito suggerimenti generali sulla storia di Marte.
Due nuovi articoli pubblicati sulla rivista Nature, qui e qui, descrivono uno strato di roccia silicatica fusa spesso 150 chilometri alla base del mantello che avvolge il nucleo liquido, composta da una lega di ferro.
Svelando l'interno di Marte
Quando i terremoti attraversano un pianeta, le onde sismiche si propagano e si riflettono in modi diversi a seconda dei materiali. Un composto solido e rigido avrà un profilo sismico differente da uno elastico e soffice. Grazie a queste preziose informazioni, gli scienziati non solo sono stati in grado di utilizzare i dati sismici per sondare cosa c'è all'interno di Marte ma anche di mapparlo in dettaglio.
I due nuovi articoli perfezionano i dati iniziali, basandosi su un set di dati molto ampio, che include anche i due enormi eventi rilevati dal lander della NASA e causati dall'impatto di meteoriti.
Le misurazioni precedenti suggerivano che Marte avesse un nucleo sorprendentemente grande, con un raggio di circa 1.830 chilometri. Che è un numero enorme per un pianeta che ha un raggio di 3.390 chilometri. In tal caso, il nucleo avrebbe dovuto avere una densità relativamente bassa, suggerendo che vi fosse mescolata una discreta quantità di elementi più leggeri.
Le due nuove ricerche, invece, hanno scoperto, in modo indipendente, che il nucleo è circondato uno strato di roccia fusa spesso circa 150 chilometri.
Ciò, a sua volta, implica che il nucleo deve essere più piccolo di quanto previsto in precedenza, tra 1.650 e 1.675 chilometri di raggio.
Se il nucleo è più piccolo, allora è anche più denso. E, dato che la composizione del nucleo di Marte contiene indizi sulla sua storia, questo risultato potrebbe aiutare gli scienziati a capire come il pianeta sia diventato quello che è oggi: polveroso, arido e, forse, senza vita.
Sebbene i due articoli concordino sulla natura fusa dello strato e sulle sue dimensioni, hanno teorie diverse su come si sia formato. La ricerca futura potrebbe aiutare a restringere il campo della misteriosa storia e dell’evoluzione di Marte.
Il diagramma mostra come le onde sismiche si muovono attraverso l'interno marziano e lo strato appena scoperto.
Crediti: Khan et al., Natura, 2023
Il primo studio:
"Evidence for a liquid silicate layer atop the Martian core"
I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno raccolto e analizzato i dati trasmessi sulla Terra dal lander InSight della NASA per determinare la struttura interna del pianeta.
"Anche se la missione si è conclusa nel dicembre 2022, ora, abbiamo scoperto qualcosa di molto interessante", ha detto Amir Khan, scienziato senior presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell'ETH.
L'analisi dei martemoti registrati, combinata con le simulazioni al computer, dipinge un nuovo quadro dell'interno del pianeta. Stretto tra il nucleo, costituito da una lega di ferro liquido e il mantello di silicato solido, si trova uno strato di silicato liquido (magma) spesso circa 150 chilometri. "La Terra non ha uno strato di silicato completamente fuso come quello", ha detto Khan.
Questa scoperta fornisce anche nuove informazioni sulla dimensione e sulla composizione del nucleo di Marte, risolvendo un mistero che i ricercatori finora non erano riusciti a spiegarsi.
Il nucleo della Terra è costituito per circa il 90% in peso da ferro e gli elementi leggeri come zolfo, carbonio, ossigeno e idrogeno costituiscono complessivamente circa il 10% in peso. Le stime iniziali per Marte avevano mostrato che il nucleo poteva contenere, invece, un'abbondanza di elementi leggeri, circa il 20% in peso. "Si trattava di un insieme molto ampio di elementi leggeri, al limite dell'impossibile. Da allora ci siamo interrogati su questo risultato", ha detto Dongyang Huang, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell'ETH di Zurigo.
Le nuove osservazioni mostrano che il raggio del nucleo marziano è minore rispetto a quanto determinato inizialmente (1.800-1.850 chilometri) e si colloca tra i 1.650 e i 1.700 chilometri, che corrisponde a circa il 50% del raggio di Marte. Se il nucleo marziano è più piccolo di quanto si pensasse, a parità di massa, ne consegue che la sua densità è maggiore e che, quindi, contiene meno elementi leggeri. Secondo i nuovi calcoli la percentuale di elementi leggeri è scesa tra il 9 e il 14% in peso.
"Ciò significa che la densità media del nucleo marziano è ancora piuttosto bassa ma non più inspiegabile nel contesto dei tipici scenari di formazione planetaria", ha commentato Paolo Sossi, professore assistente presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell'ETH di Zurigo e membro del Consiglio Nazionale Centri di Competenza nella Ricerca (NCCR) PlanetS.
Il fatto che il nucleo marziano contenga una quantità significativa di elementi leggeri indica che deve essersi formato molto presto, forse quando il Sole era ancora circondato dal gas della nebulosa protoplanetaria da cui potrebbero provenire gli elementi leggeri.
I calcoli iniziali erano basati sui sismi avvenuti in prossimità del lander InSight. Ma gli eventi determinanti si sono verificati ad agosto e nel settembre 2021, quando il sismometro del lander ha registrato due terremoti sul lato opposto del pianeta. "Questi terremoti hanno prodotto onde sismiche che hanno attraversato il nucleo", ha detto Cecilia Duran, dottoranda presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell'ETH di Zurigo.
Per dedurre la composizione del materiale, generalmente, i ricercatori hanno confrontato i dati con quelli di leghe sintetiche di ferro contenenti diverse proporzioni di elementi leggeri (S, C, O e H). In laboratorio, queste leghe vengono esposte ad alte temperature e pressioni equivalenti a quelle che si trovano all'interno di un pianeta, consentendo ai ricercatori di misurare direttamente la densità e la velocità delle onde sismiche. Al momento, tuttavia, la maggior parte degli esperimenti vengono condotti prendendo come riferimento le condizioni che ci sono all'interno della Terra e quindi non sono immediatamente applicabili a Marte. I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno quindi adottato un metodo diverso: hanno calcolato le proprietà di un’ampia varietà di leghe utilizzando calcoli quantomeccanici, eseguiti presso il Centro Nazionale Svizzero di Supercalcolo (CSCS) di Lugano.
Quando il team ha poi confrontato il lavoro con i profili calcolati con misurazioni di InSight, ha riscontrato un problema. Si è scoperto che nessuna lega di elementi leggeri e ferro corrispondeva contemporaneamente sia ai dati sulla parte superiore che al centro del nucleo marziano.
"Ci è voluto un po' di tempo per renderci conto che la regione che in precedenza avevamo considerato essere il nucleo esterno di ferro liquido non era dopotutto il nucleo ma la parte più profonda del mantello", ha detto Huang. A sostegno di ciò, i ricercatori hanno anche scoperto che la densità e la velocità delle onde sismiche misurate e calcolate nei 150 chilometri più esterni del nucleo erano coerenti con quelle dei silicati liquidi, lo stesso materiale, in forma solida, di cui è composto il mantello marziano. .
Ulteriori analisi dei martemoti precedenti e ulteriori simulazioni al computer hanno confermato questo risultato.
Crediti: van der Lee, Natura, 2023
Il secondo studio:
"Geophysical evidence for an enriched molten silicate layer above Mars’s core"
Il nuovo studio, condotto da un team internazionale di ricercatori, ha scoperto anch'esso la presenza di uno strato di silicato fuso sopra il nucleo metallico di Marte.
Pubblicato il 25 ottobre 2023, il documento del team descrive in dettaglio l'uso dei dati sismici per localizzare e identificare un sottile strato di silicati fusi (il tipo di roccia che compone la crosta e il mantello di Marte e della Terra) che si trova tra il mantello e il nucleo marziano. . Con la scoperta di questo strato fuso, i ricercatori hanno determinato che il nucleo di Marte è più denso e più piccolo rispetto alle stime precedenti, una conclusione che si allinea meglio con altri dati geofisici e le analisi dei meteoriti marziani.
Vedran Lekic, professore di geologia all'Università del Maryland e coautore dell'articolo, ha paragonato lo strato fuso a una "coperta riscaldante" che copre il nucleo marziano.
"La coperta non solo isola il calore proveniente dal nucleo e ne impedisce il raffreddamento ma concentra anche elementi radioattivi il cui decadimento genera calore", ha spiegato. "E quando ciò accade, è probabile che il nucleo non sia in grado di produrre i moti convettivi che creerebbero un campo magnetico, il che può spiegare perché Marte attualmente non ha un campo magnetico attivo attorno a sé".
Senza un campo magnetico protettivo e funzionale, un pianeta terrestre come Marte diventa estremamente vulnerabile alle particelle cariche del vento solare, il che porta alla perdita dell’acqua sulla superficie. Lekic ha aggiunto che questa differenza tra la Terra e Marte potrebbe essere attribuita alle differenze nella struttura interna e ai diversi percorsi di evoluzione planetaria presi dai due pianeti.
"La copertura termica del nucleo metallico di Marte da parte dello strato liquido alla base del mantello implica che sarebbero necessarie fonti esterne per generare il campo magnetico registrato nella crosta marziana durante i primi 500-800 milioni di anni della sua evoluzione", ha affermato l'autore principale dell'articolo Henri Samuel, uno scienziato del Centro Nazionale Francese per la Ricerca Scientifica. "Queste fonti potrebbero essere impatti energetici o movimenti del nucleo generati da interazioni gravitazionali con antichi satelliti che da allora sono scomparsi."
Le conclusioni del team supportano le teorie secondo cui Marte un tempo aveva un oceano fuso di magma che successivamente cristallizzò per produrre uno strato di silicato fuso arricchito in ferro ed elementi radioattivi alla base del mantello marziano. Il calore emanato dagli elementi radioattivi avrebbe quindi alterato drasticamente l’evoluzione termica e la storia del raffreddamento del pianeta.
"Questi strati, se diffusi, possono avere conseguenze piuttosto grandi per il resto del pianeta", ha detto Lekic. "La loro esistenza può aiutarci a dirci se i campi magnetici possono essere generati e mantenuti, come i pianeti si raffreddano nel tempo e anche come cambiano le dinamiche del loro interno".
GOOGLENEWS
