Изначально предполагалось, что вулканическая активность на Марсе прекратилась много лет назад. Однако недавние данные свидетельствуют о возможности ее повторного возникновения в будущем. Анализ сейсмической активности марсианской коры указывает на наличие в ней областей с жидкой магмой. Издание Naked Science изучило, насколько достоверны эти данные.
В прошлом все скалистые планеты Солнечной системы были подвержены воздействию высоких температур. На Меркурии, Венере, Земле и Марсе обнаружены свидетельства древних вулканических извержений. Однако, здесь важен эпитет «древних». Активные вулканы на планетах известны только на Земле. Следует отметить, что термин «планеты» используется не случайно, поскольку самым вулканически активным телом в Солнечной системе является спутник Юпитера Ио.
Хотя мы и не наблюдали действующие вулканы, это не исключает их наличие. Ни одна планета, кроме Земли, не подвергалась всестороннему изучению вулканологами. В качестве примера можно привести косвенные свидетельства, существуют предположения о том, что на Венере могут находиться вулканы. Однако наблюдать за их извержениями затруднительно, поскольку планета постоянно скрыта под слоем плотных облаков. Изучение Марса представляется более простым, так как его поверхность хорошо видна с орбиты. Однако создание вулканологической станции «Фарсида-1» для Марсианского отделения РАН пока остается лишь мечтой (Тарсис, он же Фарсида — обширное вулканическое нагорье на Марсе. — прим.ред.). Всего четыре года назад (в 2018 году) на Марсе, благодаря зонду InSight, был запущен первый эффективный сейсмограф. Именно этот прибор предоставил интересные данные, которые будут рассмотрены ниже. Однако, прежде чем перейти к ним, стоит рассказать о различиях между марсианскими и земными вулканами и о причинах их образования.
Откуда берутся вулканы
Двести лет назад натуралисты полагали, что внутреннее строение Земли — жидкое. Согласно этой теории, тонкий твердый слой, кора, отделяет нас от океана расплавленной магмы. И вулканические жерла представлялись как прорывы в этой коре. Это представление проникло в массовую культуру и до сих пор вводит людей в заблуждение. В действительности вулканизм — гораздо более сложный процесс. А именно: он сложен, во-первых, и, во-вторых, всё устроено иначе.
Внешний слой планеты (включая Землю) обладает высокой температурой и твердой структурой, не являясь жидким (например, температура верхней мантии Земли достигает 1300–1500 °C). Несмотря на свою подвижность, скорость движения мантийных потоков крайне мала – всего несколько сантиметров или миллиметров в год. Подобную скорость могут демонстрировать бетонные опоры некачественно возведенного моста.
Для формирования магмы необходимо расплавление твердых пород мантии или коры. Стоит отметить, что магма представляет собой не чистое жидкое состояние. Это комбинация расплавленной жидкости, кристаллов и газов, что делает ее похожей на газированную кашу. Лава, извергающаяся из вулкана, является магмой, достигшей земной поверхности. Под каждым действующим вулканом находится резервуар магмы, называемый магматическим очагом.
Как добиться плавления вещества верхней мантии? Самый простой способ – нагрев выше точки плавления. Для этого хорошо подходит восходящий поток вещества из нижней мантии, или даже из области границы ядра и мантии – мантийный плюм. Поскольку нижняя мантия горячее верхней, этот поток несет с собой избыточное тепло, которое способствует плавлению окружающих пород. Предполагается, что подобный плюм является причиной нагрева зон гавайских вулканов.
Вместо поиска дополнительного тепла можно снизить температуру плавления материала, чтобы он расплавился при обычной температуре. Существуют два способа достижения этой цели. Первый заключается в уменьшении давления, оказываемого на вещество. Когда глубокие массы мантии поднимаются к поверхности, где давление ниже, они плавятся, образуя магму под вулканами срединно-океанических хребтов – зонах интенсивных восходящих потоков мантийного вещества. Второй способ – это применение принципа, ранее использовавшегося в рекламе, и «просто добавить воды». Смесь мантийного вещества с водой плавится при температуре, при которой сухая мантия осталась бы в твердом состоянии. Именно поэтому по краям Тихоокеанской литосферной плиты, в зоне Тихоокеанского огненного кольца, наблюдается погружение насыщенных водой пород морского дна в мантию.
Неземное долголетие
Вулканы на Земле могут существовать на протяжении тысяч, а иногда и сотен тысяч лет. Однако их возраст редко достигает миллионов лет. Перемещение тектонических плит препятствует длительному нахождению магматического очага в одном месте. Они могут сдвинуть его с зоны подпитки мантийным плюмом или изменить место поступления воды в мантию.
Ученые полагают, что на Марсе отсутствуют подвижные литосферные плиты, и, вероятно, они никогда там не существовали. В связи с этим магматические очаги могут сохраняться на протяжении очень длительных периодов времени. Метеориты марсианского происхождения показывают, один и тот же вулкан мог периодически активизироваться в течение почти ста миллионов лет. При каждом извержении он выбрасывал новые объемы лавы и пепла.
Благодаря низкой гравитации (всего 38% от земной), на Марсе находятся самые высокие вулканы в Солнечной системе. Среди них выделяется Олимп — самый крупный из них. Этот массив, с основанием диаметром 540 километров, сложно даже назвать горой. Его невозможно полностью увидеть с поверхности, поскольку большая его часть постоянно скрыта за горизонтом. Высота этого гиганта превышает 21 километр, если отсчитывать от его основания. Над условным местным «уровнем моря» он возвышается более чем на 24 километра! Остальные марсианские вулканы не такие масштабные, как Олимп, но все равно производят впечатление.
Марсианские извержения произошли очень давно. Даже самые молодые из них датируются возрастом более двух миллионов лет. Возраст этих извержений определяется по количеству метеоритных кратеров. Эксперты, как минимум теоретически, могут оценить частоту падения метеоритов различных размеров на поверхность Красной планеты. Слабая эрозия на Марсе способствует сохранности кратеров. Если на участке поверхности наблюдается небольшое количество мелких кратеров, это указывает на его молодость. Метод не отличается высокой точностью, но является достаточно удобным.
Долгое время не было обнаружено никаких доказательств наличия активных вулканов на Марсе. Более того, существование таких вулканов казалось маловероятным. Все планеты со временем остывают, теряя внутреннее тепло. Учитывая, что масса Марса почти в десять раз меньше массы Земли, этот процесс на Красной планете продвинулся достаточно далеко. И там, где недостаточно подземного тепла, сложно ожидать плавления мантии.
По мнению ряда специалистов, многочисленные глубокие трещины в коре планеты являются следствием ее остывания. Уменьшение объема и съеживание приводят к образованию трещин в коре.
Полученные недавно сведения ставят под сомнение как сдержанное, нордическое поведение, приписываемое Марсу, так и причины образования трещин.
Трещина в теории
В 2021 году в журнале Icarus была опубликована интересная статья. Анализ изображений, полученных с Mars Reconnaissance Orbiter, выявил структуры, напоминающие свежие вулканические отложения. Темное пятно расположено вокруг одной из борозд Цербера — глубоких трещин в марсианской коре. Пятно практически симметрично и вытянуто не по направлению к преобладающим ветрам. Поэтому объяснить его формирование воздействием ветра затруднительно. Обнаруженные отложения характеризуются высокой теплоемкостью: они медленно нагреваются и также медленно остывают. Сочетание цвета и теплоемкости позволяет предположить, что они состоят из вулканического минерала пироксена.
Аналогичные образования ранее были найдены на Луне и Меркурии и, как правило, интерпретировались как вулканические структуры. Однако марсианское пятно, в отличие от своих аналогов на других планетах, имеет очень юный возраст. Его возраст оценивается в диапазоне от 50 до 200 тысяч лет. Даже на Земле, где наблюдается тектоническая активность, вулканы такого возраста могут быть действующими, а на Марсе это, безусловно, вполне вероятно.
Сладкая дрожь открытия
Авторы статьи, опубликованной в журнале Icarus, сразу же подчеркнули, что эпицентры наиболее мощных марсотрясений, зафиксированных сейсмографом InSight, располагались вблизи борозд Цербера. И вот теперь в журнале Nature Astronomy вышла новая работа. Ученые провели анализ данных, собранных в результате множества марсотрясений зафиксировано уже более 1300. Эксперты выделили особый класс сотрясений Марса: низкочастотные. По характеру сигнала они довольно похожи на события, привычные земным сейсмологам. Можно надеяться, что причина таких подземных толчков не в потрескивании сжимающейся коры и не в редких падениях метеоритов, а в геологической активности Марса.
Для 18 из 24 зарегистрированных слабых толчков удалось установить расстояние до эпицентра. Это расстояние оказалось сопоставимо (с учетом погрешности) с расстоянием до борозд Цербера – до области, где были обнаружены недавние вулканические отложения или нечто подобное.
Но это далеко не полный перечень. Анализ скорости распространения сейсмических волн указывает на то, что они прошли через среду, обладающую свойствами жидкости или близкую к ней. Мантия, как известно, представляет собой твердое тело, а также и кора. В таком случае, что же могло оказаться в жидком состоянии? Магма.
Вероятно, под основанием одной или нескольких борозд Цербера находится магматический очаг. В таком случае, трещина, скорее всего, возникла в результате вулканической катастрофы, а не в процессе постепенного растрескивания остывающей коры. Критически важным является тот факт, что до тех пор, пока магма остается в жидком состоянии, существует вероятность ее извержения на поверхность. Марсианский вулкан может активизироваться.
Наличие двух независимых подтверждений – снимков с орбиты и данных сейсмографии с поверхности – является значительным фактором. Однако ученые крайне осторожны в отношении термина «установленный факт». Хотя пресс-служба может подтолкнуть их к публичному заявлению, в профессиональной среде они не торопятся с выводами, тщательно и методично собирая доводы в пользу и против гипотезы. В будущем, возможно, на Марсе будет развернута целая сеть сейсмографов, которые позволят измерить поток подземного тепла в различных точках планеты, а образцы горных пород, взятые с краев обнаруженной трещины, будут исследованы марсоходами или даже доставлены в лаборатории Земли. Только тогда можно будет с уверенностью утверждать о наличии магматического очага. Или, возможно, нам повезет, и орбитальные аппараты зафиксируют процесс извержения.