El professor de geofísica Daoyuan Sun ha liderat l’anàlisi de les dades sísmiques de la missió marciana InSight de la NASA. En un article amb Huixing Bi com a primer autor publicat ahir a la revista Nature afirmen haver detectat el nucli intern sòlid de Mart, que tindria un radi d’uns 600 km. Aquesta detecció té tot una sèrie d’implicació sobre la composició i l’evolució termal de l’interior de Mart així com sobre la història magnètica del planeta. Fins ara, les observacions geofísiques suggerien que el nucli marcià era líquid, si més no en part. Les dades sísmiques de la missió InSight demostrarien que la part interior d’aquest nucli seria sòlida. En efecte, Bi et al. identifiques dues fases sísmiques: 1) la PKKP, que transitaria en el nucli profund; 2) la PKiKP, reflectida en el límit de nucli interior. El radi d’aquest nucli interior seria de 613 ± 67 km. El salt en velocitat compressional en el límit del nucli interior seria d’un 30%. En el nucli interior hi ha una concentració d’elements lleugers diferents i segregats del material del nucli exterior a través d’un procés de cristal·lització. La interacció entre un nucli interior sòlid i un nucli exterior sòlid és la base del camp magnètic terrestre, i cal pensar que en el passat Mart hauria disposat d’aquesta mateixa generació.
Comparació entre les estructures internes de la Terra i de Mart, deduïdes a partir de la transmissió d’ones sísmiques propagades arran d’impactes
L’interior dels planetes rocallosos
Aquest projecte fou dissenyat per Daoyuan Sun (USTC). Els estudis sísmics foren realitzats per Huixing Bi (USTC) i Sun. Ningyu Sun (USTC), Zhu Mao (USTC) i Douglas Hemingway (UT Austin) feren les interpretacions de física de minerals. Hemingway i Mingwei Dai (USTC) participaren en la discussió. Sun i Bi redactaren l’esborrany original de l’article.
Els autors agraeixen a D. J. Stevenson els suggeriments i discussions. També agraeixen la tasca de N. Schmerr, M. Panning i de dos revisors anònims. A Q. Huang li agraeixen ells models d’inversió, i a X. Song, B. Chao H.-Y. Yang els comentaris. Tenen paraules d’agraïment per a la NASA, el CNES, l’UKSA, la SSO, la DLR, el JPL, l’IPGP-CNRS, l’ETHZ, l’Imperial College London, l’MPS-MPG, el SISMOC, el Centre Supercomputacional de la USTC. La recerca es finançà amb el projecte XDB41000000 de l’Acadèmia Xinesa de Ciències.
Els planetes rocallosos poden haver patit un procés més o menys intens de diferenciació interna. Així pot haver-hi contrast entre el nucli i el mantell. Al mateix temps, el nucli pot haver-se diferenciat entre un nucli intern i un nucli extern. Si un planeta disposa d’un nucli intern, això té conseqüències sobre l’estat termal i els processos de dinamo. La formació d’un nucli intern depèn d’un procés de cristal·lització. Dades com la mida d’aquest nucli intern, o el seu estat físic (sòlid o fluid) es relacionen amb les propietats tèrmiques i composicionals del planeta sencer.
Com és lògic el nucli intern planetari més ben estudiat és el de la Terra. Hom també ho pogut identificar el nucli intern de la Lluna.
La qüestió sobre l’interior de Mart és més oberta. És un planeta més petit i menys dens que la Terra, però potser la diferència més remarcable rau en la manca d’un camp de dinamo global. Com que l’escorça de Mart presenta signes d’una magnetització antiga, cal pensar que Mart disposava d’una dinamo que eventualment cessà. Una possible explicació consistiria en una menor diferenciació entre nucli i mantell a Mart. Les observacions geodèsiques descarten que el nucli de Mart sigui completament sòlid, mentre les dades cosmoquímiques (proporció d’elements lleugers) suggereixen que probablement és líquid.
Les dades la missió NASA InSight assenyalen l’existència d’un nucli líquid. S’han detectat ones sísmiques reflectides pel límit entre el nucli i el mantell, així com ones que transiten pel nucli. En aquest nucli líquid hi hauria presència d’elements lleugers com el carboni (C), l’oxigen (O), l’hidrogen (H) o el sofre (S). Aquesta composició, però, permetria un procés de cristal·lització, si les condicions de pressió i temperatura són prou elevades.
Bi et al. han observat en les dades de l’InSight una fase sísmica que transitaria pel nucli intern (PKIKP). Aquesta fase passa per l’ombra del nucli exterior líquid. La PKIKP de la Terra és la que permeté la definició del nucli intern de la Terra.
Les fases del nucli intern
Bi et al. han de diferenciar clarament entre les fases sísmiques febles del nucli i les fases del mantell. Per això es fixen en tota una sèrie de sismes de baixa freqüència, que analitzen en arrai per generar-hi vespagrams. La presència de pics d’energia en un cert temps representaria fases sísmiques coherents.
Per identificar formes individuals d’ones Bi et al. recorren a dues estratègies:
1) formes polaritzades d’ones.
2) anàlisi de polarització dependent de freqüència.
La fase PKKP es pot observar únicament en una finestra temporal que antecedeix en 50-200 segons les prediccions d’un model de nucli purament líquid. En efecte, el senyal PKKP apareix sobretot a 1340 s, com passà en l’esdeveniment sísmic S0235b. Si hom aplica un model amb una capa de silicat fos per damunt del nucli hi hauria dues arribades PKKP, separades per un interval de 60 segons, la qual cosa es podria correspondre a les arribades observades de 1290 ± 3 s (PKKP-CMB) i 1341 ± 5 s (PKKP-MSL).
La fase PKiKP es correspondria a reflexions d’ones sísmiques en la interfície del nucli intern i del nucli extern. En el vespagrama apareix una arribada prominent a 604 ± 2 s després de P. Les fases PKKP i PKiKP mostren polaritats oposades i una ratio d’amplitud de 0,5.
L’estructura de nucli intern
La comparació entre els temps de trajectòria de les fases PKKP i PKiKP permet fer una deducció de la mida i velocitat del nucli intern. Emprant diversos models de velocitat en el mantell, Bi et al. estimen un radi mitjà del nucli intern de 613 ± 67 km. El radi mitjà del nucli extern seria de 1799 ± 66 km.
La composició i dinàmica del nucli de Mart
El nucli intern de Mart ocuparia el 18% del radi planetari. Aquesta és una proporció semblant a la que trobem a la Terra (19%). Al darrera hi hauria un procés similar de cristal·lització del nucli.
El nucli intern de Mart no pot ésser integrat d’un aliatge sòlid pur de ferro (Fe) i níquel (Ni). Hi ha d’haver una presència substància d’elements lleugers, com ara S (12-16%), C (4-4,7%), O (<6%) i H. El gradient de densitat entre el nucli extern i el nucli intern seria de 3-9%, i el de velocitat de transmissió d’ones sísmiques de 24-31%.
Si l’interior de Mart és tant semblant a la Terra, ¿com és que no hi ha un camp magnètic global? A la Terra la dinamo és deguda a la cristal·lització del nucli, i la interacció entre el nucli intern sòlid i el nucli extern líquid. Però aquesta relació depèn de la taxa i forma de la cristal·lització i de la composició elemental de les fases sòlida i líquida. Bi et al. pensen que el nucli de Mart tingué un procés de refredament ràpid, que donà lloc a una dinamo termal, però que en alentir-se el refredament no hi ha prou convecció termal per mantindre una dinamo. Ara bé, Bi et al. consideren que per arribar a una explicació caldria un major coneixement de la composició elemental del nucli de Mart i de la viscositat del mantell. I no és una cosa purament de mida, ja que Mercuri i Ganimedes disposen de camps magnètics globals.
Lligams:
– Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars. Huixing Bi, Daoyuan Sun, Ningyu Sun, Zhu Mao, Mingwei Dai & Douglas Hemingway. Nature 645: 67-72 (2025).
– NASA InSight.
Des de la Mediterrània 