Внутреннее строение Марса

На первый взгляд может показаться, что мы вообще не можем судить о внутреннем строении Марса: у нас нет о нем даже таких косвенных сведений, какие дают нам показания сейсмографов о строении земных недр. Однако такое представление будет неправильным. Наука располагает целым набором физических сведений, которые если не определяют полностью картину внутреннего строения Марса, то во всяком случае позволяют построить ее весьма правдоподобную модель.

В самом деле, нам известны масса Марса и его средняя плотность. Далее, мы знаем скорость вращения планеты и ее полярное сжатие. Из анализа движения естественных, а теперь и искусственных спутников Марса можно получить данные о гравитационном поле планеты. Важнейшей характеристикой гравитационного поля является гравитационный потенциал. Численно эта величина равна работе, которую надо совершить для перемещения единичной массы, находящейся в поле тяготения планеты, из данной точки в бесконечность. Потенциал однородного шара, у которого плотность убывает с расстоянием от центра одинаково во всех направлениях, равен

где f - гравитационная постоянная, M - масса тела, r - расстояние от его центра.

Для реальных планет, форма которых значительно отличается от шарообразной, а распределение масс внутри может носить весьма сложный характер, применяется разложение гравитационного потенциала по сферическим функциям. Коэффициенты этого разложения определяются из наблюдений движения спутников планеты. Они характеризуют ее фигуру и распределение масс.

Через коэффициенты разложения потенциала определяются моменты инерции планеты. Как известно, момент инерции однородного шара относительно любой из его осей равен

Для реальной планеты главные моменты инерции не равны друг другу, а коэффициенты перед произведениями Ma², Mb² и Mc² меньше 0,4 (a, b, c - полуоси эллипсоида планеты). Чем меньше эти коэффициенты (называемые безразмерными моментами инерции), тем сильнее отличается распределение масс в недрах планеты от однородного. Так, у Земли безразмерный момент инерции относительно ее оси вращения равен 0,33.

Величина H=(C-A)/C называется динамическим сжатием планеты, в отличие от ее оптического сжатия, определяемого отношением геометрических полуосей эллипсоида. Динамическое сжатие Марса, полученное по данным "Маринера-9", равно 0,0052, в хорошем согласии с более ранними определениями по движению спутника Марса Фобоса. Оптическое сжатие планеты больше и достигает 0,0074.

Отличие фигуры Марса от эквипотенциальной поверхности (поверхности равного давления) должно приводить к систематическому "перетеканию" атмосферных масс с экватора на полюсы. К чему это может привести, мы увидим дальше.

Безразмерный момент инерции Марса, определенный по его динамическому сжатию, равен 0,375. Иначе говоря, Марс по своему внутреннему строению ближе к однородному шару, чем Земля. Это значит, что ядро Марса не должно быть столь большим, как земное, и составляет меньшую долю его массы (на долю земного ядра приходится 32% массы Земли). О том же говорит средняя плотность Марса: 3,89 г/см³, почти в 1,5 раза меньше средней плотности Земли.

Помимо динамических данных в распоряжении ученых есть и некоторые геохимические данные. Так, обнаружение спектральными методами в атмосферной пыли 50% кремнезема (SiO₂) указывает на то, что на поверхности Марса преобладают легкие кислые породы, которые были в свое время выплавлены и поднялись наверх в ходе расплавления, а затем химической дифференциации марсианских недр. С учетом всего этого можно, опираясь на теорию внутреннего строения планет, построить модель Марса. Эта работа была выполнена советской исследовательницей С. В. Козловской.

В ее модели принято, что в кору Марса было выплавлено 50% всего легкого сиалического материала, содержащегося в недрах планеты (сиаль - породы, содержащие окислы кремния и алюминия, например полевой шпат). Поэтому толщина коры была принята равной 100 км. В ней сосредоточено около 7% всей массы планеты.

На долю железного ядра Марса, как показывает безразмерный момент инерции, может приходиться не более 5% массы планеты. Это определяет радиус ядра - 960 км.

Остальное вещество недр Марса сосредоточено в его мантии (оболочке, окружающей ядро). Ее главной компонентой является, по-видимому, оливин - тяжелая порода, содержащая ортосиликаты магния (Mg₂SiO₄, форстерит) и железа (Fe₂SiO₄, файялит). При этом доля файялита должна быть на 15-20% больше, чем в земной мантии, чтобы объяснить "утяжеление" марсианской мантии за счет железа, не выплавившегося в ядро планеты. Средняя плотность вещества мантии Марса по этой модели 3,55 г/см³, тогда как у Земли она равна 3,3 г/см³. Американский геофизик Д. Андерсон сделал другое предположение: он считает, что в ядре Марса присутствует не только никелистое железо, но и сернистое железо, например троилит FeS - минерал, часто встречающийся в метеоритах и более легкий, чем чистое железо и никель. Относительные пропорции железа, никеля, серы и кремния в ядре зависят от условий формирования Марса, в частности от температуры. Условие фазового равновесия в системе Fe-FeS показывает, что температура недр Марса при образовании ядра превышала 1000°. Предполагая, что содержание железа, никеля и серы в веществе Марса такое же, как в большинстве каменных метеоритов, Д. Андерсон получил такие результаты. Ядро составляет 12% массы Марса, а его радиус равен 1500 км. Оно содержит 63% железа, никеля, серы, входящих в состав вещества планеты. Общая доля содержания железа на Марсе 25%, тогда как на Земле она равна, по Б. Мейсону, 38,8%.