Raggiungere il nucleo grazie ai terremoti marziani

Sappiamo che la Terra è composta da gusci: una sottile crosta di roccia leggera e solida è seguita da uno spesso mantello di roccia pesante e viscosa e, al di sotto di questo, dal nucleo terrestre, costituito in gran parte da ferro e nichel. esiste. Una struttura simile è stata ipotizzata per Marte. "Ora i dati sismici confermano la nostra idea che Marte è un pianeta differenziato che un tempo era probabilmente completamente fuso e diviso in crosta, mantello e nucleo, con una composizione diversa da quella della Terra", afferma Amir Khan, scienziato dell'Istituto di geofisica dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo. Insieme al collega dell'ETH Simon St?hler e a un team internazionale, ha analizzato i dati della missione InSight della NASA, alla quale l'ETH di Zurigo partecipa sotto la guida del professore Domenico Giardini.

I risultati dei ricercatori sono stati pubblicati oggi in tre articoli sulla rivista "Science". Secondo lo studio, la crosta marziana sotto il sito di atterraggio della sonda, vicino all'equatore marziano, ha uno spessore compreso tra 25 e 45 chilometri. Al di sotto di questa si trova il mantello con la litosfera di roccia solida. La litosfera di Marte è molto più spessa di quella della Terra. Su Marte questo strato si estende fino a una profondità di 400-600 chilometri, mentre sulla Terra raggiunge al massimo i 250 chilometri. Questo potrebbe spiegare perché non ci sono prove di tettonica a placche su Marte. Il pianeta sembra essere costituito da un'unica placca, a differenza della Terra con le sue sette grandi placche continentali. "La litosfera spessa si adatta bene a questo modello di Marte come 'pianeta a una placca'", riassume Khan.

Il nucleo è liquido e più grande del previsto

Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a stimare le dimensioni del nucleo marziano utilizzando le onde sismiche. Il raggio del nucleo è di circa 1840 chilometri, ovvero circa la metà del raggio del nucleo terrestre. Ciò significa che il nucleo marziano è più grande di ben 200 chilometri rispetto a quanto ipotizzato 15 anni fa, quando è stata pianificata la missione InSight. "Possiamo calcolare la densità del nucleo dal raggio che abbiamo determinato", spiega Simon St?hler. Questo perché i ricercatori conoscono la densità media di Marte nel suo complesso. E la densità media della crosta e del mantello può essere stimata analizzando i meteoriti marziani. Da qui è possibile calcolare quanto materiale deve esserci ancora nel nucleo.

"Se il raggio del nucleo è grande, la densità del nucleo deve essere relativamente bassa", spiega Simon St?hler: "Oltre al ferro, il nucleo deve quindi contenere anche una grande proporzione di elementi più leggeri": zolfo, ma anche ossigeno, carbonio e idrogeno. Tuttavia, i ricercatori concludono che la proporzione di questi elementi deve essere inaspettatamente alta, per cui le precedenti stime sulla composizione del mantello dovrebbero essere riconsiderate. Tuttavia, le indagini attuali confermano che il nucleo è - come si sospettava - liquido, anche se Marte non ha più un campo magnetico come la Terra. Sul nostro pianeta, le correnti nel metallo liquido del nucleo esterno generano un campo magnetico permanente.

Il nucleo relativamente grande esclude anche la possibilità che su Marte ci sia un mantello inferiore come sulla Terra, dove un minerale chiamato bridgmanite si è formato sotto l'altissima pressione a una profondità di oltre 700 chilometri. Questo minerale non esiste sulla superficie terrestre, ma è il più comune nel mantello terrestre. Infatti, le misurazioni su Marte mostrano che il mantello marziano è mineralogicamente simile al mantello superiore della Terra, il cui componente principale è l'olivina. Sulla base delle misurazioni sismiche effettuate su Marte, Khan conclude: "Dal punto di vista mineralogico, il mantello marziano è una versione più semplice del mantello terrestre", ma la sismologia rivela anche differenze nella composizione chimica, il che indica che Marte e la Terra si sono formati a partire da mattoni diversi.

Analisi di diverse forme d'onda

I ricercatori hanno ottenuto i nuovi risultati analizzando diverse onde sismiche generate durante i terremoti. Durante un terremoto, l'energia viene rilasciata sotto forma di onde primarie e secondarie che si propagano dalla sorgente in tutte le direzioni. Questo è anche il caso dei terremoti su Marte. Le onde P primarie oscillano nella direzione di propagazione come le onde sonore nell'aria. Le onde S secondarie oscillano ad angolo retto rispetto alla direzione di propagazione e sono più lente delle onde P. Se si misura la differenza di tempo tra l'arrivo delle onde P e S in un punto specifico, è possibile calcolare la distanza del centro del terremoto da questo punto.

Il sismometro della missione InSight, la cui elettronica di acquisizione e controllo dei dati è stata sviluppata nel gruppo di lavoro del professore Domenico Giardini dell'ETH di Zurigo, sta monitorando le scosse di Marte dall'inizio del 2019. I dati vengono inviati tramite la Deep Space Network della NASA e due centri negli Stati Uniti e in Francia al Marsquake Service dell'ETH di Zurigo, dove vengono sottoposti a una prima analisi sotto la direzione di John Clinton del Servizio sismologico svizzero. Finora sono stati registrati oltre 1.000 Marsquakes. "Eravamo già in grado di vedere le onde P e S nei dati di InSight e quindi sapevamo quanto fossero lontani dalla sonda questi centri sismici su Marte", dice Giardini, "ma siamo rimasti fermi a questo livello di conoscenza per molto tempo".

St?hler aggiunge: "Per poter dire qualcosa sulla struttura interna dei pianeti, non bastano le onde P e S. Servono altre forme d'onda": Con questo termine intende le onde di terremoto che si riflettono sulla superficie o al di sotto di essa o nel nucleo. Ad esempio, i ricercatori parlano di fasi PP e PPP se l'onda P viene riflessa una o due volte sotto la superficie. I ricercatori sono riusciti a osservare per la prima volta queste fasi su Marte.

Come l'Apollo 11 sulla Luna

Il compito si è rivelato particolarmente complicato perché i sismogrammi su Marte contengono molti echi, che si verificano tipicamente quando le onde sismiche attraversano strati di roccia poco profondi e porosi. Ciò rende difficile l'analisi delle fasi sismiche che hanno attraversato l'interno profondo del pianeta. Osservazioni simili sono state fatte sulla Luna dopo che gli astronauti dell'Apollo 11 hanno installato per la prima volta un sismometro; per questo motivo ci sono voluti 40 anni per rilevare il nucleo, compito che ora è stato completato su Marte in due anni. La Terra, la Luna e Marte sono gli unici corpi celesti il cui interno è stato finora analizzato con la sismologia. "Le scosse registrate su Marte sono di bassa magnitudo, inferiore a 4, e sarebbero difficili da rilevare sulla Terra da questa distanza, ma in media sono leggermente più forti di quelle registrate dai sismometri delle missioni Apollo sulla Luna", afferma St?hler.

Nelle loro osservazioni di Marte, i ricercatori si sono concentrati sui terremoti che si sono verificati tra i 1500 e i 4500 chilometri di distanza dalla sonda Insight. "Più i terremoti sono lontani, più le onde arrivano in profondità nell'interno e più possiamo dire di loro", spiega Khan. Nel suo lavoro sul mantello marziano superiore, insieme a un team internazionale ha analizzato le fasi sismiche riflesse sotto la superficie, mentre Simon St?hler e altri colleghi dell'ETH hanno aggiunto al loro studio le fasi sismiche riflesse nel nucleo, per poter guardare ancora più in profondità nell'interno di Marte. I ricercatori dell'ETH hanno partecipato anche al terzo studio sulla crosta marziana, che è stato pubblicato.

"Determiniamo la velocità delle onde di terremoto in funzione della profondità", spiega Khan. Conoscere la velocità delle onde delle fasi osservate a diverse profondità ci permette di fare affermazioni sulla composizione chimica e sulla temperatura all'interno del pianeta. Se la velocità delle onde cambia improvvisamente, questa discontinuità corrisponde tipicamente a una transizione verso una diversa composizione chimica. Una tale discontinuità può essere osservata nelle transizioni tra crosta e mantello e tra mantello e nucleo. I ricercatori stanno ora utilizzando la sismologia su Marte per cercare altre discontinuità in profondità nel mantello e un nucleo interno come quello che esiste sulla Terra. "Le nuove scoperte sull'interno di Marte ci aiuteranno a saperne di più sulla formazione e l'evoluzione del pianeta", conclude Khan.