Марсу разрешили обзавестись твердым внутренним ядром. Но для этого нужно много серы

С помощью данных, полученных в лабораторных экспериментах с железо-сульфидной смесью при высоких давлениях и температурах, ученые рассчитали, при каких физических условиях в жидком ядре Марса может происходить образование твердой фазы. Оказалось, что оно требует более низких температур, чем предполагают современные модели марсианского ядра. Однако существование твердого ядра все-таки возможно при условии, что вещество ядра обогащено серой. Отчет об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Сейсмологические наблюдения миссии NASA InSight показали, что ядро Марса жидкое, а также более крупное, чем предполагалось ранее ― радиусом около 1830 километров (согласно другим оценкам немного меньше: 1780–1810 километров), ― и менее плотное. Следовательно, оно должно содержать больше легких элементов, и в первую очередь серы как самого распространенного умеренно летучего элемента в солнечной протопланетной туманности. Среднюю плотность марсианского ядра планетологи оценивают в 5,9–6,3 грамма на кубический сантиметр, при этом оценки содержания легких элементов очень разнятся в зависимости от модели и колеблются в пределах 7–25 процентов массы. Вопрос о том, есть ли у Марса твердое ядро, до сих пор остается открытым.

Моделирование физических условий во внутренних структурах Марса представляет еще большую трудность, чем аналогичная задача для Земли. В настоящее время планетологи предполагают, что давление на границе ядра и мантии достигает приблизительно 21 гигапаскаля, а в качестве верхней границы значений давления для центра ядра принимается величина 40 гигапаскалей. Температура жидкого ядра оценивается приблизительно в 2000 кельвин, и она слишком высока для кристаллизации железо-сульфидного расплава, за исключением нестехиометрического кристаллического соединения Fe3+xS2, которое теоретически должно образоваться при давлении свыше 21 гигапаскаля из расплава с массовой долей серы более 16 процентов. Однако свойства этого соединения подробно не исследовались.

Чтобы выяснить, как железо-сульфидная фаза ведет себя при температурах и давлениях, соответствующих предполагаемым условиям марсианского ядра, специалист по физике минералов из Байройтского университета Ляньцзе Мань (Lianjie Man) и его коллеги из Бельгии, Германии и Франции провели серию экспериментов с железо-сульфидной смесью в ячейке с алмазными наковальнями. Ученых интересовали условия образования соединения Fe3+xS2, которое разлагается при декомпрессии и может быть изучено лишь в условиях экстремальных давлений.

Однако исследователи получили из обогащенного серой расплава совсем другое соединение переменного состава ― Fe4+xS3. Оказалось, что с повышением температуры расплава, в котором происходит кристаллизация, размер элементарной ячейки в кристаллах этого соединения увеличивается не только из-за теплового расширения, но и за счет включения ионов железа. В результате состав Fe4+xS3 приближается к стехиометрическому соотношению Fe5S3, а кристаллическая фаза обогащается железом и становится плотнее. Ограничения по температуре для кристаллизации внутреннего ядра Ляньцзе Мань и его коллеги получили из анализа термической стабильности Fe4+xS3, которая увеличивается с ростом давления. Так, под давлением 21 гигапаскаль этот сульфид устойчив до температуры около 1500 кельвин. При расчетном давлении около 40 гигапаскалей (в центре марсианского ядра) он стабилен приблизительно до 1960 ± 105 кельвин.

Исследователи промоделировали режимы затвердевания марсианского ядра при разном составе. При массовой доле серы в ядре 7–12 процентов в его внешних областях должен кристаллизоваться «железный снег», но, опускаясь к центру, он вновь расплавится. Если ядро содержит от 13 до 16 процентов серы, вверху тоже образуется «железный снег», а в центре из расплава выпадает высокобарный сульфид Fe3S. Но для этого температура в центре ядра должна быть ниже 1800 кельвин, что ниже всех современных тепловых моделей Марса. Если же марсианское ядро содержит 17–25 процентов серы, твердое внутреннее ядро формируется нестехиометрическим сульфидом Fe4+xS3 даже при сравнительно высокой температуре около 1960 градусов, которая близка к нижнему пределу расчетной температуры ядра Марса в некоторых тепловых моделях.

Полученный результат не доказывает наличия у Марса сложного ядра, аналогичного земному, а лишь накладывает приближенные ограничения на условия его существования. Эти ограничения могут измениться после учета влияния других легких элементов. Если уточнения не исключат возможности обнаружения твердого ядра у Красной планеты, для его поиска потребуются дальнейшие геофизические исследования.

Ранее N + 1 рассказывал о том, как станция InSight нашла в марсианской мантии неоднородности, температуру земного ядра уточнили путем экстраполяции экспериментальных данных и обнаружили на границе внутреннего ядра Земли признаки деформаций.

Источник