Марс, ближайший сосед Земли, всегда завораживал и интриговал. Многочисленные космические миссии были предприняты в попытке разгадать его тайны. Однако многие вопросы, которые могут показаться тривиальными, остаются без ответа. Вот один из самых важных: почему, в отличие от Земли, Марс потерял свое магнитное поле и большую часть своей атмосферы? Недавнее исследование, возможно, окончательно разрешило загадку, показав, что это явление связано с изменением уровня водорода в его ядре, что нарушает конвективные 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 всех форм жизни, в отличие от его соседа, который полон ими.
Далекий от негостеприимной пустыни, которую мы знаем сегодня и которая заслужила прозвище «красной планеты», Марс когда-то был частично покрыт океанами, сохранившимися благодаря магнитному щиту, похожему на земной. Но она развивалась по-другому, и неясно, почему. Его магнитное поле постепенно разрушалось в течение тысяч лет, пока, наконец, не исчезло полностью. Не было ничего, что могло бы защитить его атмосферу и океаны от солнечного ветра. В конце концов они испарились в космос, сделав его практически бесплодным.
Новое исследование, в журнале Nature Communications и проведенное Токийским университетом, возможно, нашло ключ к разгадке причин исчезновения этого магнитного поля. В случае Земли, ее плотное металлическое ядро, покрытое расплавленным слоем, управляет конвекционными движениями, которые поддерживают ее магнитное поле на месте. «Магнитное поле Земли приводится в движение огромными конвекционными потоками расплавленных металлов в ее ядре. Считается, что магнитные поля на других планетах действуют таким же образом«, — объясняет в своем заявлении доктор Кей Хиросе, сотрудник факультета наук о Земле и планетах Токийского университета и ведущий автор исследования.
Затем исследователи смоделировали в лаборатории условия, которые должны были присутствовать в ядре Марса миллиарды лет назад, в попытке понять, почему оно не смогло удержать магнитное поле своей планеты.
Магнитное поле, обреченное на исчезновение
Для проведения своих экспериментов японские ученые использовали данные о метеоритах и результаты космических исследований зонда НАСА InSight. Эти данные показали, что ядро Марса может состоять из расплавленного железа, обогащенного серой. Сейсмические показания зонда также показали, что ядро на самом деле больше и менее плотное, чем предполагали ученые ранее. Это указывает на присутствие более легких элементов, таких как водород.
Имея под рукой эти элементы, исследовательская группа синтезировала образцы металлического сплава железа, серы и водорода (Fe-S-H) для создания экспериментального ядра. Затем они поместили материал в тиски с двумя небольшими алмазными пластинами и сжимали его, нагревая инфракрасным лазером. Эти условия должны воссоздать температуру и давление (в несколько сотен гигапаскалей), существовавшие в ядре планеты.
Рентгеновские и электронно-лучевые наблюдения за образцами позволили команде представить, что могло произойти во время плавления ядра Марса под давлением. Они даже смогли составить карту изменения состава выборки за этот период.
Результаты оказались столь же захватывающими, сколь и неожиданными: изначально однородный Fe-S-H распался на две различные жидкости, причем уровень сложности, который никогда ранее не наблюдался при таком давлении. Один из жидких металлов был богат серой, а другой — водородом. «Это ключ к объяснению рождения и окончательного исчезновения магнитного поля вокруг Марса«, — объясняет доктор Хиросе.
Богатое водородом, бедное серой жидкое железо, будучи менее плотным, поднялось бы над более плотным (богатым серой, бедным водородом) жидким железом. Это может вызвать конвекционные потоки. Эти токи, аналогичные земным, создали бы магнитное поле, способное удерживать водород в атмосфере вокруг Марса. Это даже позволило бы воде существовать в жидкой форме.
Однако это магнитное поле должно было исчезнуть. В отличие от внутренних конвекционных токов Земли, которые будут существовать миллиарды лет, когда две жидкости полностью разделились, токов уже не было бы достаточно для поддержания магнитного поля. Это объясняет, почему магнитное поле Красной планеты было таким недолговечным и почему весь водород ее атмосферы был сдут солнечными ветрами. Считается, что этот переворот произошел около 4 миллиардов лет назад.
Это открытие может пролить свет на будущее Земли, поскольку она и ее соседи родились из одной и той же космической материи. Если результаты этого исследования будут окончательными, они помогут завершить историю формирования каменистых планет, а также уточнить их состав. Предполагается, что Земля также в конце концов потеряет свое магнитное поле, но не раньше, чем через миллиард лет.