Visualisointi sähkövirroista Marsin ympärillä. (NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr) Mars on kuivunut planeetta, jota hallitsevat globaalit pölymyrskyt. Se on myös kylmä maailma, jossa yön talvilämpötilat putoavat miinus 140 C:een (miinus 220 F) napoissa.
Mutta se ei aina ollut kuiva, karu, jäätävä, epävieraanvarainen joutomaa. Se oli ennen lämmin, märkä, melkein kutsuva paikka, jossa nestemäinen vesi virtasi pinnan poikki täyttäen järviä, kaivertaen kanavia ja jättäen sedimenttideltoja.
Mutta sitten se menetti magneettikenttänsä, ja ilman sen tarjoamaa suojaa Aurinko riisui pois planeetan ilmakehän. Ilman ilmakehää vesi meni seuraavaksi.
Nyt Mars on se Mars, jonka olemme aina tunteneet: paikka, jota vain robottikulkijat pitävät vieraanvaraisena.
Kuinka se tarkalleen ottaen menetti magneettisuojansa? Tiedemiehet ovat ihmetelleet sitä pitkään.
Magneettinen suoja on kriittinen maapallon ilmakehän ja asuttavuuden säilyttämiselle. Ilman sitä maapallo muistuttaa Marsia. Mutta Maa piti suojansa, mutta Mars ei. Joten maapallo on 'elämää aaltoileva', kuten Carl Sagan sanoi, kun taas Marsissa on todennäköisesti kokonaan elämä vailla.
Marsissa on heikko jäännös magneettikentästä, joka lähtee sen kuoresta, mutta se on heikko ilmiö, joka tarjoaa vain vähän suojaa.
Sen magnetosfäärin menetys oli Marsille katastrofaalinen. Miten se tapahtui?
Uusi vuonna julkaistu tutkimus Luontoviestintä yrittää vastata tähän kysymykseen, kuten monet aiemmin tutkimukset. Otsikko on 'Planeettojen ytimien kerrostuminen nesteen sekoittumattomuudella Fe-S-H:ssa.' Johtavat kirjoittajat ovat Kei Hirose Tokion yliopiston maa- ja planeettatieteen laitokselta ja Ph.D. opiskelija Shunpei Yokoo Hirose-laboratoriossa.
Maan ydin luo magnetoefektin, joka synnyttää planeettamme magneettikentät. Siinä on kiinteä sisäydin ja ulompi nesteydin.
Lämpö virtaa sisäytimestä ulkoytimeen synnyttäen konvektiivisia virtoja ulompaan nesteytimeen. Konvektiiviset virrat kulkevat planeetan pyörimisen, sisäisen ytimen ja Coriolis-ilmiön synnyttäminä kuvioina. Tämä luo planeetan magnetosfäärin.
Magnetosfääri kapaloi Maata suojaavana peitteenä. Auringon aurinkotuuli iskee magnetosfääriin, ja magnetosfääri pakottaa sen virtaamaan planeetan ympäri ilmakehän tai pinnan saavuttamisen sijaan.
Magnetosfääri ei ole pallo: aurinkotuuli siirtää magnetosfäärin epäsymmetriseen muotoon. Magnetosfääri estää aurinkotuulta poistamasta maapallon ilmakehää. Ilman sitä maapallo olisi kuiva, kuollut ja karu, aivan kuten Mars.
Mitä Marsille sitten tapahtui?
'Maan magneettikenttää ohjaavat käsittämättömän suuret sulan metallin konvektiovirrat sen ytimessä. Muiden planeettojen magneettikenttien uskotaan toimivan samalla tavalla, Hirose sanoi lehdistötiedotteessa .
'Vaikka Marsin sisäistä koostumusta ei vielä tunneta, meteoriiteista saadut todisteet viittaavat siihen, että se on sulaa rautaa, joka on rikastettu rikillä. Lisäksi NASAn InSIGHT-luotaimen pinnalla saadut seismiset lukemat kertovat meille, että Marsin ydin on suurempi ja vähemmän tiheä kuin aiemmin uskottiin. Nämä asiat merkitsevät muiden kevyempien alkuaineiden, kuten vedyn, läsnäoloa.
NASAn InSIGHT laskeutuja kamppaili saavuttaakseen kaikki tieteelliset tavoitteensa. Mutta se on kerännyt kriittisiä todisteita Marsin sisärakenteesta. Jos InSIGHTin tulokset ovat oikein ja jos implisiittistä vetyä on olemassa, on olemassa perusteita kokeille, jotka voivat paljastaa enemmän Marsin kadonneesta magneettisuojasta.
(NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr)
Yllä: A Marsin ympärillä olevien sähkövirtojen visualisointi. Sähkövirrat (siniset ja punaiset nuolet) ympäröivät Marsin sisäkkäiseen, kaksisilmukkaiseen rakenteeseen, joka kiertyy jatkuvasti planeetan ympärille sen päivän puolelta yöpuolelle. Nämä virtasilmukat vääristävät aurinkotuulen magneettikenttää (ei kuvassa), joka leviää Marsin ympärille luoden indusoituneen magnetosfäärin planeetan ympärille.
'Tällä yksityiskohdalla valmistamme rautaseoksia, joiden odotamme muodostavan ytimen, ja testaamme niitä', Hirose sanoi .
Aiemmissa kokeissa on tutkittu planeetan ytimien käyttäytymistä erilaisissa paineissa ja lämpötiloissa. Mutta he eivät keskittyneet vetyyn.
'Viimeaikaiset planeettojen muodostumisteoriat osoittavat, että suuri määrä vettä kuljetettiin sekä Marsiin että Maahan niiden kertymisen aikana, mikä viittaa siihen, että vety on mahdollisesti tärkein kevyt alkuaine ytimessä', kirjoittajat. selittää heidän paperissaan. 'Tärkeyydestään huolimatta Fe-S-H-järjestelmää on toistaiseksi tutkittu vähän korkeissa paineissa.'
Mutta jos InSIGHTin tiedot pitävät paikkansa, Fe-S-H-ytimen vedyllä saattaa olla rooli Marsin magneettikentän romahtamisessa.
Tutkijat valmistivat materiaalinäytteen, joka vastasi sitä, mistä heidän mielestään Marsin ydin aikoinaan koostui. Se sisälsi rautaa, rikkiä ja vetyä - Fe-S-H. He asettivat näytteen laitteeseen, jota kutsutaan timanttialastimeksi tai timanttialasin soluksi (DAC).
Kokeissa käytetty timanttialussin kenno. (Yokoo ym.)
Timanttilasin puristaa näytteitä kahden pienen timanttilevyn väliin. Timantit kestävät äärimmäistä painetta alasin sisällä, koska ne on taottu äärimmäisessä paineessa syvällä maan sisällä.
DAC voi altistaa mikroskooppisia näytteitä satojen gigapascalien paineille. Laser lämmitti näytettä niin, että olosuhteet simuloivat Marsin ydintä. Kun ryhmä altisti näytteen korkeammille lämpötiloille ja paineille, he tarkkailivat sitä röntgen- ja elektronisäteillä materiaalin muutosten seuraamiseksi. Fe-S-H -näyte ei vain sulanut, vaan se muutti myös koostumustaan.
Kokeen tulokset keskittyvät sekoittuvuuden ajatukseen. Kun materiaalit lisätään yhteen ja saadaan homogeeninen seos, ne sekoittuvat. Kun materiaalit lisätään yhteen eivätkä ne muodosta homogeenista seosta, ne eivät sekoitu. Fe-S-H:n sekoittumattomuus korkeissa lämpötiloissa ja paineissa oli merkittävä rooli Marsin planeettojen historiassa.
'Olimme hyvin yllättyneitä nähdessämme tietyn käytöksen, joka voisi selittää paljon', Hirose sanoi lehdistötiedotteessa. 'Alun perin homogeeninen Fe-S-H erottui kahdeksi erilliseksi nesteeksi, joiden monimutkaisuustaso ei ole ennen nähty tällaisissa paineissa', sanoi Hirose. 'Yksi rautanesteistä oli runsaasti rikkiä, toinen runsaasti vetyä, ja tämä on avain selittäessä Marsia ympäröivän magneettikentän syntyä ja lopullista kuolemaa.'
Hirose ja hänen tiiminsä uskovat, että alun perin Marsin ytimessä erottui kaksi sekoittumatonta nestettä.
'Kun erotetut tiheämmät nesteet pysyivät syvimmässä kohdassa, kevyemmät nesteet siirtyivät ylöspäin ja sekoittuivat nestemäisen ytimen kanssa, mikä saattoi ohjata Marsin ytimen konvektiota.' kirjoittaa .
Mutta alueella, jossa kaksi nestettä erottuivat, tapahtui jotain muuta. 'Samaan aikaan gravitaatiovakauden, koostumuksellisen kerrostumisen olisi pitänyt kehittyä alueelle, jolla tapahtui nesteen erottuminen. Lopulta Marsin koko ydin kerrostui, mikä lakkasi konvektiosta.
(Yokoo et al., Nat. Commun., 2022)
Edellä: Tämä paperin kuva osoittaa, kuinka Marsin ydin ja Maan ydin alkoivat samalla tavalla ja muuttuivat sitten ajan myötä. Vaalea ja tummansininen edustavat vastaavasti kelluvia ja tiheitä nesteitä.
Tiedemiehet tiesivät jo, milloin konvektio loppui ja Mars menetti magneettisuojansa. Se tapahtui noin 4 miljardia vuotta sitten. Tämä tutkimus selittää, miksi konvektio päättyi, mikä johti magneettisuojan menettämiseen.
Se myös selittää, kuinka se alkoi. 'Sekoittumattomien S-rikasten ja H-rikkaiden nesteiden erottaminen olisi voinut olla vastuussa Marsin ytimen konvektion ja dynamon toiminnan alkamisesta ja päättymisestä', he kirjoittaa heidän paperissaan.
Kun nämä kaksi nestettä erosivat, Mars oli tuomittu. Ei ollut enää konvektiota, ei enää magnetismia, ei enää ilmakehää eikä vettä. Tarkkaa aikaväliä ei tiedetä, mutta tuloksena oli kuollut planeetta.
Tämä on kuitenkin vain yksi tutkimus, eikä meillä ole täydellistä kuvaa. 'Tulostemme perusteella Marsin seisminen lisätutkimus toivottavasti varmistaa, että ydin on todellakin erillisissä kerroksissa, kuten ennustamme.' sanoi Hirose. 'Jos näin on, se auttaisi meitä täydentämään tarinaa siitä, kuinka kiviplaneetat, mukaan lukien Maa, muodostuivat ja selittäisivät niiden koostumuksen.'
Tiedämme, että maapallo ei pysy asuttavana ikuisesti. Noin 5 miljardin vuoden kuluttua Aurinko siirtyy punaiseen jättiläisvaiheeseensa ja tuhoaa Maan. Mutta suojaava magneettisuojamme ei myöskään kestä ikuisesti, ja olemme tuomittuja ilman sitä. Mitä tapahtuu ensin? Tuomio magnetosfäärin menettämisestä? Vai punaisen jättiläisen tuhoa?
'Ja saatat ajatella, että myös maapallo voi jonakin päivänä menettää magneettikenttänsä', Hirose sanoi , 'mutta älä huoli, se ei tapahdu ainakaan miljardiin vuoteen.'
Meillä on siis miljardi vuotta aikaa. Älkäämme tuhlaako sitä.
Tämän artikkelin on alun perin julkaissut Universumi tänään . Lukea alkuperäinen artikkeli .