Земля — сейсмически активная планета, и ученые придумали, как использовать сейсмические волны от землетрясений для исследования ее недр. Мы даже используем искусственно созданные сейсмические волны для выявления подземных нефтеносных пластов. Когда посадочный модуль InSIGHT (Внутренние исследования с использованием сейсмических исследований, геодезии и переноса тепла) был отправлен на Марс, он почувствовал марсианские землетрясения, чтобы узнать больше о недрах планеты.
Исследователи полагают, что они смогут использовать марсианские землетрясения, чтобы ответить на один из самых актуальных вопросов Марса: удерживает ли планета воду в своих недрах?
Геолокационный радар может рассказать нам, что находится под землей на Земле. Однако у него есть ограничения. Он может достигать глубины около 30 метров под землей в материалах с низкой проводимостью и до одного метра в проводящих материалах. Ученые разрабатывают другие методы, в том числе сейсмологические интерферометры, чтобы использовать сейсмологию для обнаружения более глубоких водоносных горизонтов, но эти методы еще не полностью разработаны. Внутри Земли так много воды, что она создает шумные сигналы.
Эти методы неприменимы к Марсу, где оборудование ограничено.
Однако исследователи из Университета штата Пенсильвания считают, что они могут использовать другой тип сейсмологии для обнаружения подземных вод Марса. Он называется сейсмоэлектрическим методом и сочетает в себе сейсмологию и электромагнетизм. Он улавливает электромагнитные сигналы, возникающие в результате распространения сейсмических волн внутри планеты.
Их новое исследование «Характеристика жидкой воды в глубоких марсианских водоносных горизонтах: сейсмо-электрический подход» было опубликовано в журнале JGR Planets. Нолан Рот, докторант кафедры геологических наук Пенсильванского университета, является ведущим автором.
«У научного сообщества есть теории, что на Марсе раньше были океаны и что за время его истории вся вода ушла», — сказал Рот. «Но есть свидетельства того, что где-то в недрах застряло некоторое количество воды. Мы просто не смогли его найти. Идея в том, что если мы сможем найти эти электромагнитные сигналы, то мы найдем воду на Марсе».
Сейсмология работает путем обнаружения упругих волн, распространяющихся через Землю. Эти волны делятся на подтипы, особенно на P-волны, или первичные волны, и S-волны, или вторичные волны. Каждый тип волны распространяется по-разному в зависимости от материала, через который она проходит. В общих чертах, P-волны распространяются быстрее, чем S-волны, поэтому они достигают сейсмографических датчиков в разное время. Разница во времени и других факторах раскрывает характеристики и плотность материала, через который проходят волны.
Сейсмоэлектрический метод обнаруживает электромагнитные сигналы, создаваемые сейсмическими волнами, а не сами волны. Когда волны проходят через планету, материалы, такие как камень или вода, в ответ движутся по-разному. Эти различия создают магнитные поля, которые могут обнаружить наземные датчики.
«Если мы прислушаемся к марсотрясениям, которые движутся по недрам, если они проходят через воду, они создадут эти замечательные, уникальные сигналы электромагнитных полей», — сказал Рот. «Эти сигналы будут диагностическими для современной воды на Марсе».
Этот метод особенно подходит для Марса. На Земле вода перемешивается по всей недрах, а не только в водоносных горизонтах, что затрудняет ее обнаружение. Но Марс чрезвычайно засушлив, если не считать потенциальных подземных водоносных горизонтов. Если мы обнаружим погребенную воду на Марсе с помощью сейсмоэлектрического метода, это почти наверняка подземный водоносный горизонт.
«В отличие от того, как сейсмоэлектрические сигналы часто появляются на Земле, поверхность Марса естественным образом устраняет шум и предоставляет полезные данные, которые позволяют нам охарактеризовать некоторые свойства водоносного горизонта», — сказал соавтор Тиюань Чжу, доцент кафедры геонаук в Пенсильванском университете и советник Рота. .
Сейсмоэлектрический метод использует два типа электромагнитных полей: косейсмические волны и интерфейсные отклики (ИК). Существует два типа ответов интерфейса: излучающие ответы интерфейса (RIR) и затухающие ответы интерфейса (EIR).
«Отклики интерфейса (IR) генерируются, когда сейсмическая волна создает дисбаланс зарядов на насыщенном интерфейсе», — объясняют авторы. RIR излучаются от границы раздела независимо с электромагнитными скоростями, независимо от того, сколько жидкости находится в среде. EIR генерируются, когда сейсмическая волна падает на насыщенную границу раздела под определенным углом. Оба типа ИР генерируются в присутствии подвижных флюидов, но для дальнейшего распространения им не требуется насыщенный слой. RIR, в частности, могут преодолевать километры горных пород. Два типа ответов интерфейса можно разделить и проанализировать независимо.
Все это складывается в новый метод «видения» внутри Марса и поиска насыщенных слоев.
Рот и его коллеги начали с создания модели недр Марса. Затем они добавили водоносные горизонты, чтобы смоделировать работу сейсмоэлектрического метода. Результаты показали, что они могут использовать сейсмоэлектрический метод для раскрытия подробностей о водоносных горизонтах, включая их размеры и химические свойства, такие как соленость.
«Глубина, толщина и количество водоносного горизонта влияют на время и форму появления отклика на границе раздела», — пишут авторы в своем исследовании. «Доля водонасыщенности водоносного горизонта, химический состав и соленость сильно влияют на силу отклика границы раздела, но практически не влияют на форму волны».
«Сейсмоэлектрические сигналы могут использоваться для ограничения оценок глубины, объема, местоположения и общего химического состава водоносного горизонта», — добавили они.
«Измерения SE дают нам возможность обнаруживать и отображать марсианские грунтовые воды в километрах под поверхностью», — пишут авторы в своем заключении. «Поскольку исследования SE становятся все более распространенными на Земле, это исследование представляет собой первый набег метода на другие миры».
«Если мы сможем понять сигналы, мы сможем вернуться назад и охарактеризовать сами водоносные горизонты», — сказал Рот в пресс-релизе. «И это создаст нам больше ограничений, чем когда-либо прежде, для понимания воды на Марсе сегодня и того, как она изменилась за последние 4 миллиарда лет. И это было бы большим шагом вперед».
Самое интересное в использовании сейсмоэлектрического метода на Марсе то, что он не требует новой миссии. Посадочный модуль НАСА InSIGHT во время своей миссии собрал обширные сейсмические данные. У него также был магнитометр, и будущие работы позволят объединить сигналы обоих, чтобы открыть новое окно в недра Марса.
Если метод окажется плодотворным, сейсмометры и магнитометры могут быть включены в будущие миссии не только на Марс, но и на другие миры. Луны замороженного океана, такие как Европа и Энцелад, являются основными объектами исследования в поисках жизни, и эта технология может там сработать.
«Это не должно ограничиваться Марсом — у этого метода есть потенциал, например, для измерения толщины ледяных океанов на спутнике Юпитера», — сказал Чжу. «Послание, которое мы хотим донести до сообщества, заключается в том, что существует многообещающее физическое явление, которому в прошлом уделялось меньше внимания, которое может иметь большой потенциал для планетарной геофизики».
