Η αποστολή InSight θα αποκαλύψει το παρελθόν του Άρη που είναι κρυμμένο μόλις πέντε μέτρα κάτω από την επιφάνειά του
Βραχώδεις πλανήτες όπως ο Άρης και η Γη έχουν σχηματιστεί κατά τα πρώτα στάδια του Ηλιακού μας Συστήματος αποκτώντας τη μάζα τους μέσω συγκρούσεων πλανητών και πρωτοπλανητών. Τέτοιες ενεργητικές συγκρούσεις, καθώς και η αποσύνθεση των στοιχείων που παράγουν ραδιενεργό θερμότητα και η διαδικασία σχηματισμού του πυρήνα, παράγουν μεγάλη ποσότητα θερμότητας που έχει αποθηκευτεί στο εσωτερικό του πλανήτη.
Αυτή η θερμότητα μεταφέρεται αποτελεσματικά μέσω μεταφοράς στον βραχώδη μανδύα, ο οποίος σε χρονικές κλίμακες εκατομμυρίων ετών συμπεριφέρεται παρόμοια με το βραστό νερό σε μια κατσαρόλα στη σόμπα και τελικά χάνεται στο διάστημα μέσω της επιφάνειας του πλανήτη. Η επιφανειακή ροή θερμότητας (ο τρόπος με τον οποίο ένας πλανήτης χάνει την εσωτερική του θερμότητα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης της ποσότητας των στοιχείων που παράγουν θερμότητα στο εσωτερικό και μπορεί να συνδεθεί άμεσα με τη σύνθεση του πλανήτη, θέτοντας σημαντικούς περιορισμούς στα μοντέλα πλανητικού σχηματισμού. Λόγω της πολυπλοκότητάς τους, ωστόσο, οι μετρήσεις άμεσης επιφανειακής ροής θερμότητας σε επίγειους πλανήτες εκτός της Γης είναι αραιές και διαθέσιμες μόνο για τη Σελήνη. Αλλά αυτό θα αλλάξει με την επερχόμενη αποστολή της NASA InSight (Εσωτερική Εξερεύνηση με χρήση Σεισμικών Ερευνών, Γεωδαισίας και Μεταφοράς Θερμότητας).
Η αποστολή InSight έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει τον επόμενο χρόνο τον Μάιο από την αεροπορική βάση Vandenberg στην Καλιφόρνια. Θα φτάσει στον Άρη μετά από ένα ταξίδι έξι μηνών στις 26 Νοεμβρίου 2018 και θα πραγματοποιήσει την πιο ολοκληρωμένη επιφανειακή γεωφυσική έρευνα μέχρι σήμερα για τον κόκκινο πλανήτη. Το αεροσκάφος InSight θα τοποθετήσει ένα σεισμόμετρο στην επιφάνεια του Άρη και θα τρυπήσει έναν ανιχνευτή ροής θερμότητας πέντε μέτρα πιο κάτω, στην περιοχή Elysium Planitia κοντά στον ισημερινό του πλανήτη.
Θα παρακολουθεί τη σεισμική δραστηριότητα του πλανήτη, τον ρυθμό με τον οποίο ο Άρης χάνει την εσωτερική του θερμότητα, καθώς και θα προσδιορίζει με ακρίβεια την περιστροφή του Άρη χρησιμοποιώντας το σύστημα επικοινωνίας του σκάφους κατά τη διάρκεια ενός Αρειανού έτους (δύο γήινα έτη). Το όργανο HP (Heat Flow and Physical Properties Package) στο InSight, που αναπτύχθηκε στο Γερμανικό Αεροδιαστημικό Κέντρο (DLR), χρησιμοποιεί μηχανισμό σφυρηλάτησης που θα τοποθετεί αισθητήρες θερμοκρασίας κάτω από την επιφάνεια του Άρη και θα καταγράφει τον ρυθμό με τον οποίο διαφεύγει θερμότητα από το εσωτερικό του πλανήτη. Τέτοιες εξαιρετικά πολύτιμες μετρήσεις θα προωθήσουν την κατανόησή μας για το πώς λειτουργούν το εσωτερικό των επίγειων πλανητών και θα περιορίσουν την εξέλιξή τους από τα πρώτα στάδια του σχηματισμού των πλανητών μέχρι σήμερα.
Αν και περίπου δύο φορές μικρότερος και δέκα φορές μικρότερος από τη Γη, ο Άρης, όπως και η Γη, έχει βιώσει τη διαφοροποίηση σε βραχώδη φλοιό και μανδύα και σε πυρήνα πλούσιο σε σίδηρο. Όπως η Γη, ο Άρης έχει ηφαίστεια, στην πραγματικότητα, διαθέτει τα πιο θεαματικά ηφαίστεια στο Ηλιακό Σύστημα, και επίσης όπως η Γη, ο Άρης έχει έναν βόρειο και έναν νότιο πόλο που καλύπτονται από πάγο. Αλλά ενώ στη Γη τα καπάκια αποτελούνται από πάγο νερού, στον Άρη αποτελούνται από έναν συνδυασμό πάγου νερού και πάγου διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, επειδή καθ' όλη τη διάρκεια της εξέλιξής του, ο Άρης ήταν λιγότερο γεωλογικά ενεργός από τη Γη (π.χ. δεν έχει τεκτονικές πλάκες), μπορεί να διατήρησε ένα πλήρες ιστορικό των πρώιμων διεργασιών που διαμόρφωσαν το εσωτερικό του.
Αβεβαιότητες στην εκτίμηση της επιφανειακής ροής θερμότητας του Άρη
Ελλείψει μετρήσεων άμεσης ροής θερμότητας, η επιφανειακή ροή θερμότητας στον Άρη υπολογίζεται από τις μετρήσεις της κάμψης της λιθόσφαιρας, δηλαδή του άκαμπτου εξωτερικού τμήματος του μανδύα, υπό το φορτίο μεγάλων ηφαιστειακών κατασκευών και πολικών παγοκαλυμμάτων, παρόμοια με πουτίγκα ζελέ που παραμορφώνεται κάτω από το βάρος ενός μπισκότου από πάνω. Η βάση του τμήματος της λιθόσφαιρας που συμπεριφέρεται ελαστικά και κάμπτεται κάτω από αυτό το φορτίο μπορεί να προσεγγιστεί με μια χαρακτηριστική θερμοκρασία. Το βάθος της ελαστικής λιθόσφαιρας και η αντίστοιχη θερμοκρασία της μαζί με υποθέσεις και εκτιμήσεις της θερμικής αγωγιμότητας και της κατανομής των ραδιενεργών στοιχείων που παράγουν θερμότητα στον φλοιό και τον μανδύα μπορούν να παρέχουν μια τιμή ροής θερμότητας.
Ωστόσο, προκύπτουν αβεβαιότητες επειδή μεγάλα ηφαιστειακά κέντρα έχουν χτιστεί σε εκατομμύρια και δισεκατομμύρια χρόνια, και οι μόνες αξιόπιστες σημερινές εκτιμήσεις για το ελαστικό πάχος είναι αυτές που λαμβάνονται στον Βόρειο και Νότιο πόλο του Άρη από την εκτροπή της λιθόσφαιρας κάτω από τους πάγους. Ωστόσο, η εκτίμηση του βόρειου πόλου για το πάχος της ελαστικότητας δείχνει μια τιμή μεγαλύτερη από 300 km, η οποία δεν μπορεί να συμβιβαστεί με αριθμητικές μελέτες της εσωτερικής εξέλιξης του Άρη. Έχει υποστηριχθεί ότι είτε μια τέτοια τιμή δεν μπορεί να είναι αντιπροσωπευτική σε παγκόσμιο επίπεδο είτε ότι το εσωτερικό του Άρη περιέχει πολύ λιγότερα ραδιενεργά στοιχεία παραγωγής θερμότητας από ό,τι προβλέπεται από διάφορα σενάρια πλανητικών σχηματισμών. Το ενσωματωμένο όργανο HP3 InSight θα ελέγξει ποια από τις παραπάνω υποθέσεις είναι αληθινή εκτελώντας την πρώτη άμεση μέτρηση της σημερινής ροής θερμότητας του Άρη στην περιοχή Elysium Planitia.
Αριθμητικές προσομοιώσεις θερμικής εξέλιξης
Δεδομένου ότι οι μετρήσεις InSight θα εκτελούνται σε μία μόνο θέση στην επιφάνεια του Άρη, απαιτείται κάποια βοήθεια για την ερμηνεία τους σε ένα παγκόσμιο πλαίσιο. Με την εκπληκτική αύξηση της υπολογιστικής ισχύος τις τελευταίες δεκαετίες, οι αριθμητικές προσομοιώσεις της μεταφοράς του μανδύα και της πλανητικής εξέλιξης έχουν γίνει ένα ισχυρό εργαλείο για τη μοντελοποίηση πολύπλοκων φυσικών διεργασιών, που δραστηριοποιούνται στο εσωτερικό των επίγειων σωμάτων σε όλο το ηλιακό μας σύστημα και πέρα από αυτό. Τέτοιες αριθμητικές προσομοιώσεις μεγάλης κλίμακας εκτελούνται σε ειδικά κέντρα υπερυπολογιστών και εκτελούνται με εκατοντάδες ή χιλιάδες υπολογιστικούς πυρήνες παράλληλα.
Αριθμητικές προσομοιώσεις της μεταφοράς του μανδύα που διερευνούν την εσωτερική εξέλιξη του Άρη και πραγματοποιήθηκαν στο Ινστιτούτο Πλανητικής Έρευνας DLR έχουν χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση των χωρικών διακυμάνσεων της επιφανειακής ροής θερμότητας που προκαλείται από τα λοφία του μανδύα. Τα λοφία του μανδύα είναι θερμές θερμικές ανωμαλίες που συνήθως προέρχονται από το όριο πυρήνα-μανδύα και πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνες για τη νεότερη ηφαιστειακή δραστηριότητα στον Άρη στις επαρχίες Tharsis και Elysium. Αυτές οι θερμικές ανωμαλίες, ωστόσο, θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη μέτρηση της ροής θερμότητας, εάν βρίσκονται κοντά στο σημείο προσγείωσης του InSight, καθιστώντας δύσκολη την ανακατασκευή της μέσης επιφανειακής ροής θερμότητας.
Έχουμε πραγματοποιήσει μια ποικιλία από αριθμητικές προσομοιώσεις της εσωτερικής εξέλιξης του Άρη που εκτείνονται σε ένα μεγάλο σύνολο παραμέτρων. Όλες οι προσομοιώσεις χρησιμοποιούν διακυμάνσεις πάχους φλοιού συμβατές με δεδομένα βαρύτητας και τοπογραφίας. Οι μικρές διακυμάνσεις στο βαρυτικό πεδίο που παρουσιάζονται από τροχιακούς που πετούν γύρω από τον Άρη σε συνδυασμό με τοπογραφικά δεδομένα που λαμβάνονται από το όργανο Mars Orbiter Laser Altimeter στο Mars Global Surveyor μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξαγωγή χαρτών πάχους φλοιού. Το υλικό του φλοιού έχει αυξημένη περιεκτικότητα σε ραδιενεργά στοιχεία που παράγουν θερμότητα σε σύγκριση με το υλικό του μανδύα επειδή αυτά τα στοιχεία εξάγονται από το εσωτερικό κατά την τήξη και εμπλουτίζονται στον φλοιό. Οι αριθμητικές μας προσομοιώσεις ταιριάζουν με τη σημερινή επιφανειακή αφθονία ραδιογονικών στοιχείων που μετράται από το φασματόμετρο ακτίνων γάμμα στο διαστημόπλοιο Mars Odyssey και αντιπροσωπεύουν μέχρι σήμερα τις πιο λεπτομερείς προσομοιώσεις του σημερινού εσωτερικού του Άρη.
Τα αριθμητικά αποτελέσματα δείχνουν ότι τα λοφία του μανδύα είναι απίθανο να επηρεάσουν τις μετρήσεις της ροής θερμότητας επειδή τέτοιες θερμικές ανωμαλίες βρέθηκαν να παραμένουν περιορισμένες σε ορισμένες γεωλογικές επαρχίες όπως τα μεγάλα ηφαιστειακά κέντρα Tharsis και Elysium και σε σημαντική απόσταση από την τοποθεσία προσγείωσης InSight. Τα μοντέλα μας δείχνουν ότι η τιμή της επιφανειακής ροής θερμότητας που λαμβάνεται στη θέση InSight είναι πολύ παρόμοια με τη μέση επιφανειακή ροή θερμότητας, υποδηλώνοντας ότι το InSight θα επέστρεφε μια αντιπροσωπευτική μέτρηση της ροής θερμότητας για τον σημερινό Άρη. Επιπλέον, η παρουσία λοφίων μανδύα μπορεί να εισαγάγει μεγάλες διακυμάνσεις του πάχους της ελαστικής λιθόσφαιρας και να επιτρέψει τη συμφιλίωση αριθμητικών μοντέλων εσωτερικής εξέλιξης με την εκτίμηση του ελαστικού πάχους του βόρειου πόλου.
Η σεληνιακή ροή θερμότητας και οι σεισμικές μετρήσεις, που πραγματοποιήθηκαν από αστροναύτες κατά τη διάρκεια των αποστολών Apollo, έχουν βελτιώσει σημαντικά την κατανόησή μας για το εσωτερικό της Σελήνης. Η επερχόμενη αποστολή InSight θα πραγματοποιήσει τις μετρήσεις της αυτόνομα στην επιφάνεια του Άρη και θα επιστρέψει πολύτιμα δεδομένα που θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τον σχηματισμό και την εξέλιξη του Άρη και άλλων επίγειων πλανητών.
Αναφορές
- Plesa, A.-C., M. Grott, N. Tosi, D. Breuer, T. Spohn, and M. A. Wieczorek (2016), Πόσο μεγάλες είναι οι σημερινές διακυμάνσεις της ροής θερμότητας στην επιφάνεια του Άρη;, J. Geophys. Res. Planets, 121, 2386–2403, doi:10.1002/2016JE005126.
Αυτή η μελέτη Πόσο μεγάλες είναι οι σημερινές διακυμάνσεις της ροής θερμότητας στην επιφάνεια του Άρη; δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Geophysical Research:Planets .
