Un sismomètre cartographie l’anatomie de Mars : Physics Today : Vol 74, No 10

Le 26 novembre 2018, le Aperçu L’atterrisseur, dont l’acronyme signifie Interior Exploration Using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport, a atterri sur l’Elysium Planitia de Mars. En moins de deux mois sur cette plaine volcanique plate, le bras robotique de l’atterrisseur a retiré un sismomètre du pont de l’atterrisseur et l’a placé sur le sol (figure 1), où il a commencé à écouter les signaux vibratoires. Huit orbiteurs surveillent actuellement les champs gravitationnels, le magnétisme et l’atmosphère de Mars, et six rovers ont exploré sa chimie de surface et sa géologie. AperçuLe sismomètre de est la seule sonde directe actuelle de l’intérieur de la planète.

À ce jour, l’instrument a capté plus de 1000 événements sismiques distincts. Sur les quelques centaines de tremblements de terre enregistrés, la grande majorité étaient de petite taille – aucun n’excédait une magnitude de moment de 4. Un faible niveau d’activité sismique n’était pas inattendu. Contrairement à la Terre, dont les plaques tectoniques bien définies se croisent aux limites qui s’enroulent autour de la planète comme la couture d’une balle de baseball, Mars a une seule plaque épaisse.

L’activité martienne, cependant, est encore plus faible que ce que certains planétologues attendaient pour les milliers de failles qui peuplent la surface. La plupart peuvent s’être formés à partir de contraintes sur la planète alors qu’elle rétrécit tout en se refroidissant lentement. Certains pourraient provenir de dynamiques internes—convection du manteau et volcanisme.

La partie externe de Mars s’est solidifiée à partir d’un océan de magma produit par accrétion au début de l’histoire du système solaire. Un noyau riche en fer s’est formé sous la forme d’un métal en fusion lourd qui s’est enfoncé dans le centre de la planète et un matériau plus léger et riche en silicate s’est élevé; une partie de ce matériau plus léger a fondu et a recongelé en une croûte cassante. Les mesures orbitales de la gravité de la planète, de la réponse aux marées et du moment d’inertie ont fourni les premiers indices de cette différenciation.

Une collaboration internationale de 65 sismologues et planétologues de 12 pays a maintenant publié trois articles qui décrivent les premières observations directes de ces couches distinctes.1-31. A. Khan et al., Science 373, 434 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abf29662. B. Knapmeyer-Endrun et al., Science 373, 438 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abf89663. SC Stähler et al., Science 373, 443 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abi7730 Les mesures quantitatives de la structure effectuées par les équipes ont ouvert la voie à la compréhension de l’évolution de la planète jusqu’à son état thermochimique actuel.

Sismomètre simple

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Aperçu n’est pas le premier vaisseau spatial à amener un sismomètre sur Mars. Les deux Viking les atterrisseurs en emportaient chacun un lorsqu’ils ont atterri sur Mars en 1976. Mais les mésaventures de décrochage et l’installation embarquée des sismomètres ont empêché l’un ou l’autre de détecter définitivement autre chose que le vent.

L’élaboration de la structure planétaire est en grande partie une question d’interprétation du cisaillement (S) et de compression (P) les ondes sismiques, qui traversent la planète à différentes vitesses et se réfractent et se réfléchissent à partir des limites des couches de la planète. Ces vitesses varient avec la rigidité (ou les modules de cisaillement et de volume, dans le jargon géologique), la densité et la température. La différence des temps d’arrivée des vagues au sismomètre fournit la distance à un tremblement de terre mais pas son emplacement spécifique.

Pour localiser l’épicentre du séisme, les sismologues ont normalement recours à la triangulation à l’aide d’au moins trois sismomètres. La distance du séisme est représentée par un cercle autour de chaque sismomètre, et l’épicentre se trouve à l’intersection des trois cercles. Commençant par Apollo 11 en 1969, le programme Apollo a établi un réseau de sismomètres à quatre stations sur la Lune. Mais les sismologues ne pouvaient pas se permettre un réseau sur Mars plus éloigné.

De plus, bien qu’il soit entouré d’un bouclier protecteur pour filtrer les vibrations induites par le vent, AperçuLe sismomètre de est toujours vulnérable aux tourbillons de pression, aux variations de température quotidiennes et aux tempêtes de poussière. Heureusement, Mars est naturellement calme. “Parce qu’il manque d’océans”, explique Mark Panning du Jet Propulsion Laboratory, “c’est au moins deux ordres de grandeur plus silencieux que n’importe quel endroit sur Terre dans la bande de fréquences 0,1-1 Hz que les sismologues utilisent généralement.” Aperçu est également suffisamment sensible pour pouvoir enregistrer des amplitudes vibratoires aussi petites qu’une largeur atomique.

De la croûte…

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Les tremblements de Mars ne ressemblent pas aux fortes interactions stick-slip qui se produisent sur les plaques convergentes de la Terre. Au contraire, ils imitent le glissement le long des failles loin de ces limites. Fissures tectoniques connues sous le nom de Cerberus Fossae (figure 2), qui sont situées à 1600 km de Aperçu, peut représenter la plus grande de cette activité sismique.

Amir Khan de l’ETH Zürich et ses collègues ont découvert que la plupart des tremblements de terre se produisent dans la croûte peu profonde.11. A. Khan et al., Science 373, 434 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abf2966 Mais comme sur Terre, P les vagues peuvent se convertir partiellement en S ondes réfléchies ou réfractées par les discontinuités. Et ces conversions rendent les vagues individuelles difficiles à démêler. Un plus petit nombre de séismes semblent provenir de la croûte terrestre. Parmi les tremblements de terre enregistrés par l’équipe, la collaboration a analysé les huit événements les plus propres. De cet échantillon, ils ont extrait P– et S-les temps d’arrivée des ondes et les polarisations, qui ont révélé les directions des ondes. Armés de ces données de polarisation supplémentaires, les sismologues pouvez déterminer les emplacements des épicentres.

Brigitte Knapmeyer-Endrun de l’Université de Cologne et ses collègues ont trouvé des limites de couches distinctes dans la croûte sous la Aperçu atterrisseur.22. B. Knapmeyer-Endrun et al., Science 373, 438 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abf8966 Le premier, aussi profond que 10 km sous la surface, marque un changement dans la lithologie de la roche. Le deuxième ou le troisième, aussi profond que 25 km et 47 km, respectivement, marque le fond de la croûte. Cette dernière épaisseur est plus cohérente avec les estimations précédentes des levés orbitaux.

Les données des réflexions d’ondes sismiques indiquent que la croûte de Mars est assez poreuse, « plus comme la Lune que la Terre », explique David Stevenson, un scientifique planétaire non affilié à la collaboration. Cela peut être une conséquence du fait qu’il a été fortement altéré par le bombardement de météores qu’il a subi au cours de son premier milliard d’années. Avec les nouvelles mesures, Knapmeyer-Endrun et ses collègues ont utilisé l’épaisseur de la croûte sous l’atterrisseur comme étalonnage pour cartographier la croûte sur toute la planète. La lithosphère de Mars, la partie externe rigide de la planète, atteint 400 à 600 km sous la surface. C’est plus de deux fois plus profond que la lithosphère continentale de la Terre. Et c’est peut-être une indication de la migration ascendante des éléments radioactifs dans la croûte, qui réduirait le gradient moyen de température géothermique en profondeur.

… au coeur

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Simon Stähler de l’ETH Zürich et ses collègues ont détecté de faibles ondes se reflétant sur la frontière plus profonde entre le noyau et le manteau.33. SC Stähler et al., Science 373, 443 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abi7730 À partir de leurs analyses de ces réflexions, ils ont déduit un rayon de cœur de 1830 km, environ 100 km de plus que prévu, sur la base du moment d’inertie et de la densité moyenne de Mars. La grande taille signifie que la composition du noyau est moins dense que prévu. Et cela, à son tour, implique qu’une plus grande concentration d’éléments légers, tels que le soufre, le carbone, le silicium et l’hydrogène, y sont séquestrés.

L’enrichissement en éléments légers aurait abaissé la température de fusion du noyau, peut-être à un point qui maintient le noyau entier sous forme de liquide en fusion. Si tel est le cas – et l’absence d’ondes de cisaillement traversant le noyau suggère que c’est le cas – l’absence d’un noyau interne solide est probablement l’une des raisons pour lesquelles la dynamo de Mars s’est éteinte il y a des milliards d’années. La dynamo de la Terre est entraînée par la chaleur latente provenant de la cristallisation du noyau interne, une source d’énergie qui n’est pas disponible sur Mars. Mais c’est de la spéculation. Personne n’a encore mesuré la quantité de chaleur qui s’écoule du noyau de Mars.

Sans dynamo pour le soutenir, Mars n’a pas de champ magnétique mondial aujourd’hui. Mais il l’a fait très tôt. En 1997, un vaisseau spatial en orbite a découvert des champs magnétiques localisés qui ont été gelés dans la plus ancienne roche crustale peu de temps après la formation de la planète il y a 4,5 milliards d’années. On ne sait pas comment ou quand la dynamo de la planète s’est éteinte, mais elle a dû le faire lorsque la chaleur s’échappant du noyau avait suffisamment diminué. (Voir l’article de David Dunlop, La physique aujourd’hui, juin 2012, page 31.)

L’enrichissement s’aligne également sur ce que l’on soupçonne de l’évolution précoce de la planète. Les preuves isotopiques des météorites martiennes sur Terre suggèrent que Mars s’est formée tôt dans les régions extérieures de la zone planétaire terrestre, où les éléments volatils légers auraient pu être plus disponibles et incorporés dans la planète alors qu’elle n’était encore qu’un embryon. L’analyse des isotopes hafnium-tungstène suggère que Mars s’est formée environ 5 millions d’années après la nébuleuse solaire ; La Terre s’est formée entre 30 et 40 millions d’années plus tard. (Voir l’article de Bernard Wood, La physique aujourd’hui, décembre 2011, page 40.)

La grande taille du noyau influence également la convection de la chaleur du manteau. Étant proportionnellement plus mince en raison du grand noyau, le manteau de Mars n’atteint jamais les pressions élevées requises pour produire une transition de phase stable de la ringwoodite – une phase à haute pression de l’olivine – à la bridgmanite. Également connue sous le nom de pérovskite de magnésium, la bridgmanite est le minéral le plus abondant sur Terre. Il est répandu dans le manteau terrestre à une profondeur d’environ 660 km et circule plus lentement que le manteau au-dessus. Sur Mars, l’absence de bridgmanite aurait pu permettre au noyau de se refroidir plus efficacement.

Avant le Esprit et Opportunité les rovers sont finalement morts, les démons de la poussière ont parfois augmenté leur niveau de puissance en récurant la saleté des panneaux solaires des rovers (voir l’étude rapide de Ralph Lorenz, La physique aujourd’hui, juillet 2020, page 62). AperçuL’atterrisseur de ‘s n’a pas bénéficié du même traitement – peu de diables apparaissent à ses côtés – et ses panneaux solaires ne produisent que 27 % de leur capacité d’alimentation sans poussière. Mars est maintenant proche de l’aphélie, son point le plus éloigné du Soleil. L’énergie est partagée entre les instruments scientifiques du vaisseau spatial, le bras robotique, la radio et divers appareils de chauffage qui permettent à tout de fonctionner malgré des températures inférieures au point de congélation.

Néanmoins, la NASA s’attend à ce que l’atterrisseur survive aux faibles niveaux d’ensoleillement et a prolongé la mission jusqu’en décembre 2022. “Nous attendons toujours des tremblements de terre plus importants”, a déclaré Panning. Lui et d’autres espèrent des événements de magnitude 5 – des signaux plus gros signifieraient une meilleure résolution des réflexions de base, ce qui renforcerait les contraintes sur la structure profonde. Il y a certainement plus à apprendre. Aperçu n’a pas encore détecté d’impacts de météores, par exemple, malgré les prévisions selon lesquelles il devrait en voir au moins un par an.

Les références

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  1. 1. A. Khan et al., Science 373, 434 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abf2966, Google ScholarRéférence croisée
  2. 2. B. Knapmeyer-Endrun et al., Science 373, 438 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abf8966, Google ScholarRéférence croisée
  3. 3. SC Stähler et al., Science 373, 443 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abi7730, Google ScholarRéférence croisée
  1. © 2021 Institut américain de physique.
 
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