Сюрприз на Марсе – неожиданная реакция на солнечные затмения с марсианского лунного Фобоса

НАСАмиссия InSight предоставляет данные с поверхности Марс. Его сейсмометр, оснащенный электроникой, созданной в ETH Zurich, не только регистрирует маршевки, но и неожиданно реагирует на солнечные затмения. Когда марсианский спутник Фобос движется прямо перед Солнцем, инструмент слегка наклоняется в сторону. Этот крохотный эффект может помочь исследователям определить внутреннюю часть планеты.

Наблюдатель, стоящий на Марсе, мог бы видеть, как луна планеты Фобос пересекает небо с запада на восток каждые пять часов. Его орбита проходит между Солнцем и любой точкой Марса примерно раз в год на Земле. Каждый раз он вызывает от одного до семи солнечных затмений в течение трех дней. Одно из мест, где это происходит, – это посадочный модуль НАСА InSight, расположенный в регионе Элизиум-Планития с ноября 2018 года. Другими словами, это явление происходит гораздо чаще, чем на Земле, когда наша Луна проходит перед Солнцем. «Однако затмения на Марсе короче – они длятся всего 30 секунд и никогда не являются полными затмениями», – объясняет Саймон Штелер, сейсмолог из Института геофизики ETH Zurich. На фотографиях, сделанных двумя марсоходами НАСА, Opportunity и Curiosity, также виден кусок с острыми краями на фоне солнца.

Фотографии – не единственный способ наблюдать эти транзиты. «Когда на Земле происходит солнечное затмение, инструменты могут обнаруживать снижение температуры и быстрые порывы ветра, поскольку атмосфера охлаждается в одном конкретном месте, а воздух уносится прочь от этого места», – объясняет Штелер. Анализ данных InSight должен указать, можно ли обнаружить подобные эффекты и на Марсе.

В ожидании 24 апреля 2020 г.

В апреле 2019 года с места посадки InSight была видна первая серия солнечных затмений, но были сохранены только некоторые из записанных данных. Первые признаки этих данных побудили Штелера и международную исследовательскую группу с энтузиазмом подготовиться к следующей серии затмений, которая должна произойти 24 апреля 2020 года. В августе они опубликовали результаты своих наблюдений в журнале. Письма о геофизических исследованиях.

Как и ожидалось, солнечные батареи InSight зарегистрировали транзиты. «Когда Фобос находится перед солнцем, меньше солнечного света достигает солнечных элементов, а они, в свою очередь, производят меньше электричества», – объясняет Штелер. «Снижение освещенности, вызванное тенью Фобоса, можно измерить». Действительно, количество солнечного света во время затмения упало на 30 процентов. Однако погодные инструменты InSight не показали атмосферных изменений, и ветер не изменился, как ожидалось. Прочие инструменты; однако преподнес сюрприз: и сейсмометр, и магнитометр зарегистрировали эффект.

Необычный сигнал сейсмометра

Сигнал от магнитометра, скорее всего, связан с уменьшением электричества солнечных элементов, как смогла показать Анна Миттельхольц, недавно присоединившаяся к команде ETH Zurich Mars. «Но мы не ожидали этого показания сейсмометра; это необычный сигнал », – говорит Штэлер. Обычно прибор, оснащенный электроникой, созданной в ETH, показывает землетрясения на планете. На данный момент Служба по борьбе с землетрясениями, возглавляемая Джоном Клинтоном и Доменико Джардини из ETH, зарегистрировала около 40 обычных землетрясений, самое сильное из которых зарегистрировало магнитуду 3,8, а также несколько сотен региональных мелких землетрясений.

Если луна Фобос заслоняет солнце, сейсмометр наклоняется в сторону, что трудно измерить, и таким образом регистрирует прохождение луны перед солнцем. Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения.

Что было удивительно во время солнечного затмения, так это то, что сейсмометр слегка наклонился в определенном направлении. «Этот наклон невероятно мал, – отмечает Штелер. «Представьте себе 5-франковую монету; теперь протолкните два атома серебра под один край. Мы говорим о наклоне: 10^-8. » Каким бы незначительным ни был этот эффект, его все же нельзя было спутать ни с чем. «Наиболее очевидным объяснением может быть гравитация Фобоса, аналогичная тому, как Луна вызывает приливы, – говорит Штелер, – но мы быстро это исключили». Если бы это было объяснением, то сигнал сейсмометра присутствовал бы в течение более длительного периода времени и каждые пять часов, когда Фобос проходит мимо, а не только во время затмений. Исследователи определили наиболее вероятную причину наклона: «Во время затмения земля охлаждается. Он неравномерно деформируется, что приводит к наклону инструмента », – говорит Мартин ван Дриель из исследовательской группы по сейсмологии и волновой физике.

Так получилось, что инфракрасный датчик действительно измерил охлаждение земли на Марсе на два градуса. Расчеты показали, что за 30 секунд затмения «холодный фронт» мог проникнуть в землю только на глубину микро- или миллиметров, но этого эффекта было достаточно, чтобы потянуть сейсмометр.

Эксперименты на старинном серебряном руднике

Наблюдения на Земле подтверждают теорию Штелера. В обсерватории Шварцвальда, расположенной в заброшенном серебряном руднике в Германии, Рудольф Видмер-Шнидриг обнаружил похожее явление: во время испытания сейсмометра кто-то не выключил свет. Тепла, испускаемого 60-ваттной лампочкой, по-видимому, было достаточно, чтобы нагреть самый верхний слой гранита глубоко под землей, так что он немного расширился и заставил сейсмометр слегка наклониться в одну сторону.

Ученые должны иметь возможность использовать крошечный сигнал наклона с Марса, чтобы нанести на карту орбиту Фобоса с большей точностью, чем это было возможно раньше. Положение InSight – наиболее точно измеренное место на Марсе; если ученые точно знают, когда здесь начинается и заканчивается прохождение Фобоса, они могут точно рассчитать его орбиту. Это важно для будущих космических полетов. Например, космическое агентство Японии JAXA планирует отправить зонд к спутникам Марса в 2024 году и доставить образцы с Фобоса на Землю. «Для этого им нужно точно знать, куда они летят», – говорит Штелер.

Что показывают точные данные об орбите

Точные данные об орбите Фобоса также могут пролить больше света на внутреннюю работу Марса. Пока наша Луна продолжает набирать угловой момент и неуклонно удаляется от Земли, Фобос замедляется и постепенно падает обратно к Марсу. Через 30-50 миллионов лет он рухнет на поверхность планеты. «Мы можем использовать это небольшое замедление, чтобы оценить, насколько эластичен и, следовательно, насколько горячее внутреннее пространство Марса; холодный материал всегда более эластичен, чем горячий », – объясняет Амир Хан из Института геофизики ETH Zurich. В конечном счете, исследователи хотят знать, был ли Марс сформирован из того же материала, что и Земля, или же различные компоненты могут объяснить, почему у Земли есть тектоника плит, плотная атмосфера и условия, поддерживающие жизнь – характеристики, которых у Марса нет.

Ссылки:

«Геофизические наблюдения транзитов Фобоса с помощью InSight» С.К. Стэлер, Р. Видмер-Шнидриг, Дж .‐Р. Шольц, М. ван Дриель, А. Миттельхольц, К. Херст, К. Л. Джонсон, М. Т. Леммон, Р. Д. Лоренц, П. Логнонне, Н. Т. Мюллер, Л. По, А. Спига, Д. Банфилд, С. Цейлан, К. Хараламбус , Дж. Клинтон, Д. Джардини, Ф. Ниммо, М. Паннинг, В. Цюрн и У. Б. Банердт, 4 августа 2020 г., Письма о геофизических исследованиях.
DOI: 10.1029 / 2020GL089099

«Приливная реакция Марса, ограниченная лабораторными моделями вязкоупругой диссипации и геофизическими данными» А. Багери, А. Хан, Д. Аль-Аттар, О. Кроуфорд и Д. Джардини, 29 августа 2019 г., JGR Planets.
DOI: 10.1029 / 2019JE006015