Марс, ближайший сосед Земли, всегда очаровывал и интриговал. В этом направлении было предпринято много космических миссий, чтобы попытаться разгадать его тайны. И все же многие вопросы, которые могут показаться тривиальными, до сих пор остаются нерешенными. Вот один из важнейших из них: почему, в отличие от Земли, Марс потерял свое магнитное поле и почти всю свою атмосферу? Недавнее исследование, возможно, окончательно разрешило загадку, продемонстрировав, что это явление связано с изменением уровня водорода в его ядре, нарушающим конвекционные движения, необходимые для поддержания магнитного поля.
Марс, во многом похожий на Землю, был разрушен катаклизмами около 4 миллиардов лет назад. Это сделало его негостеприимным для любой формы жизни, в отличие от его соседа, который полон ими.
Вдали от негостеприимной пустыни, которую мы знаем сегодня и за что получили прозвище «красная планета», Марс когда-то был частично покрыт океанами, сохранившимися за магнитным экраном, подобным земному.. Но он развивался по-другому, и никто не мог толком объяснить, почему. Его магнитное поле постепенно ослабевало на протяжении тысячелетий, в конце концов полностью исчезнув. Ничто тогда не защищало ее атмосферу и ее океаны от солнечных ветров. В итоге они испарились в космосе, сделав ее почти бесплодной.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications и проведенное Токийским университетом, возможно, нашло ключ, объясняющий исчезновение этого магнитного поля. В случае Земли ее плотное и металлическое ядро, окруженное расплавленным слоем, управляет конвекционными движениями, которые позволяют поддерживать ее магнитное поле на месте. «Магнитное поле Земли управляется огромными конвекционными потоками расплавленных металлов в ее ядре. Считается, что магнитные поля на других планетах работают таким же образом», - говорит в своем заявлении доктор Кей Хиросе из Департамента наук о Земле и планетах Токийского университета и ведущий автор исследования.
Затем исследователи смоделировали в лаборатории условия, которые должны были быть в ядре Марса миллиарды лет назад, чтобы попытаться понять, почему оно не могло удерживать магнитное поле его планеты.
Магнитное поле обречено на исчезновение
Для проведения своих экспериментов японские ученые опирались на метеоритные данные, а также на результаты исследования космоса с помощью зонда НАСА InSight. Эти данные действительно показали, что ядро Марса могло состоять из расплавленного железа, обогащенного серой. Сейсмические данные зонда также показали, что это ядро на самом деле будет больше и менее плотным, чем считали ученые ранее. Это указывало бы на присутствие более легких элементов, таких как водород.
Собрав эти элементы вместе, группа исследователей синтезировала образцы металлического сплава, состоящего из железа, серы и водорода (Fe-S-H), чтобы сформировать экспериментальное ядро. Затем они поместили материал в тиски вместе с двумя небольшими алмазными пластинами и сжали его, нагревая инфракрасным лазером. Считается, что эти условия воссоздают температуру и давление (несколько сотен гигапаскалей), преобладавшие в ядре планеты.
Рентгеновские и электронно-лучевые наблюдения за образцами позволили команде представить, что могло произойти во время термоядерного синтеза ядра Марса. Они даже смогли составить карту того, как за это время изменился состав образца.
Результаты, столь же увлекательные, сколь и неожиданные, показали, что изначально гомогенный Fe-S-H разделился на две отдельные жидкости с невиданным ранее уровнем сложности при таком давлении. Один из жидких металлов был богат серой, а другой - водородом. «Это ключ к объяснению рождения и, в конечном счете, исчезновения магнитного поля вокруг Марса», - говорит доктор Хиросе.
Богатое водородом и бедное серой жидкое железо, будучи менее плотным, поднялось бы над более плотным жидким железом (богатым серой, бедным водородом). Это может вызвать конвекционные потоки. Эти токи, подобные земным, создали бы магнитное поле, способное удерживать водород в атмосфере вокруг Марса. Он даже позволял воде существовать в жидкой форме.
Однако это магнитное поле должно было исчезнуть. В отличие от внутренних конвекционных потоков Земли, которые будут продолжаться еще миллиарды лет, как только две жидкости полностью разделятся, токов больше не будет достаточно для поддержания магнитного поля. Это могло бы объяснить, почему магнитное поле Красной планеты было таким коротким и почему весь ее атмосферный водород был унесен солнечными ветрами. Этот переворот должен был произойти около 4 миллиардов назад.
Это открытие может пролить свет на будущее Земли, поскольку она и ее соседи рождены из одной и той же космической материи. Если результаты этого исследования будут убедительными, они помогут завершить историю образования каменистых планет, а также уточнить их состав. Подсчитано, что Земля тоже однажды потеряет свое магнитное поле, но не раньше, чем через миллиард лет.