MARS, planet fascinantne geološke povijesti, intrigira znanstvenike već desetljećima, a jedan od njegovih najvećih misterija je izrazita dihotomija, odnosno razlika između njegove dvije polutke. Ona je prvi put otkrivena 1970-ih na temelju slika sondi Viking 1 i 2.

Hrvatski geofizičar Hrvoje Tkalčić s Australskog nacionalnog sveučilišta u Canberri i njegov kolega Weijia Sun iz Laboratorija o Zemlji i planetarnoj fizici Kineske akademije znanosti nedavno su u časopisu Geophysical Research Letters objavili istraživanje koje je prvi put iz neposrednih opažanja ponudilo tumačenje uzroka Marsove dihotomije.

Što je Marsova dihotomija?

Visoravni južne polutke Marsa, koje se prostiru na oko 2/3 površine planeta, izdižu se 5 do 6 km iznad sjevernih nizina.

No, to nije jedina razlika između dvije polutke. Kora ispod Južnih visoravni znatno je deblja od one ispod Sjevernih nizina. Osim toga, Južne visoravni prekrivene su kraterima i isprepletene smrznutim tokovima vulkanske lave. Nasuprot tome, na sjeveru ima manje kratera, a površina sjevernih nizina je glatka i ravna, gotovo bez vidljivih ožiljaka i drugih značajnih obilježja.

Konačno, južne stijene su magnetizirane, što sugerira da potječu iz drevnog razdoblja kada je Mars imao globalno magnetsko polje, dok stijene sjevernih nizina nisu.

Letjelica Viking

Tkalčić kaže da se u planetarnim znanostima Marsova dihotomija smatra jednom od najvećih, ako ne i najvećom zagonetkom Sunčeva sustava. "Mars nam je izuzetno interesantan kao planetarni susjed koji je jednom davno imao izgled sličan Zemlji, no njegovo magnetsko polje ugasilo se davno, a voda na površini je nestala. Ta pitanja o povijesti i dinamici Marsa kopkaju tisuće mojih kolega i mene", dodao je.

Dvije hipoteze o porijeklu dihotomije

Znanstvenici su predložili dvije glavne teorije koje bi mogle objasniti Marsovu dihotomiju.

Prema jednoj, uzroci su vanjski - Mars je doživio sudar s ogromnim asteroidom veličine Mjeseca, što je rezultiralo stvaranjem sjevernih nizina. Takav udar mogao je ukloniti dio kore na sjevernoj hemisferi i stvoriti niža područja.

Prema drugoj, uzroke treba tražiti u unutarnjoj dinamici planeta, u konvekcijama u plaštu ili tektonici ploča, koja je mogla uzrokovati diferencijaciju između sjevera i juga. Ovi procesi mogli su dovesti do varijacija u debljini kore i topografiji površine.

Novi dokazi iz marsotresa

Rezultate predstavljene u novom radu omogućili su podaci koje je prikupila NASA-ina misija InSight, koja je 2018. godine sletjela na Mars (slika dolje). Ona je, među ostalim, opremljena seizmometrom koji bilježi vibracije u tlu uzrokovane seizmičkom aktivnošću, slično potresima na Zemlji. Mjerenja "marsotresa" znanstvenicima su omogućila da zavire u unutrašnjost planeta i steknu uvide u njegove sastav i strukturu.

Modeliranje unutrašnjosti Marsa

Nekima od marsotresa koje je zabilježio InSight lokacija nije bila poznata, što nije čudno, jer nju nije lako odrediti jednim instrumentom – lociranje se obično radi s najmanje tri (triangulacija).

Tim je stoga prvo odlučio inovativnim metodama locirati sve marsotrese, a ono što je otkrio, bilo je zapanjujuće. Naime, podaci su pokazali da je skupina od šest marsotresa nastala na južnoj polutci Marsa, u regiji Terra Cimmeria, što je svojevrstan presedan jer su svi ranije dokumentirani i dobro proučeni marsotresi bili locirani na sjevernoj polutci, uglavnom u regiji Cerberus Fossae (karta dolje).

U sljedećem koraku znanstveni je dvojac proučio kako su se seizmički valovi širili kroz različite slojeve planeta u obje polutke - jesu li se negdje kretali brže ili sporije, i kako im je energija slabila ovisno o gustoći i sastavu materijala kroz koji su prolazili, što se u stručnom žargonu naziva atenuacijom.

Promatranjem amplituda seizmičkih valova tim je rekonstruirao slabljenje energije na obje strane Marsa i ustanovio da je ono u južnoj polutci znatno veće nego na sjevernoj.

"Veća atenuacija može se dovesti u vezu s manjom viskoznošću i višom temperaturom, a samim tim i s obrascima konvekcije u plaštu, odnosno uzdizanja toplijeg i poniranja hladnijeg materijala", objasnio je Tkalčić.

Rezultati su pokazali da je plašt ispod južne hemisfere Marsa više temperature nego onaj ispod sjeverne. To sugerira da su procesi u unutrašnjosti planeta, poput konvekcije u plaštu, odgovorni za stvaranje razlike između visokih područja na jugu i niskih nizina na sjeveru. Konvekcija je proces kružnog gibanja materijala uzrokovan temperaturnim razlikama u kojem se vrući, manje gusti materijal uzdiže prema površini, dok hladniji, gušći ponire prema unutrašnjosti.

Na temelju podudaranja rezultata s geodinamičkim modeliranjem konvekcije i tektonike, tim je zaključio da je razlika u temperaturi rezultat ranih faza Marsove povijesti, kada je unutarnja dinamika oblikovala koreografiju planeta.

Sun i Tkalčić

Zašto je to bilo teško otkriti?

Ovo otkriće posebno je zanimljivo i vrijedno jer razumijevanje unutrašnjosti Marsa kroz seizmička mjerenja predstavlja jedinstven izazov. Naime, za razliku od studija potresa na Zemlji, gdje ih bilježe tisuće seizmografa, na Marsu je bio dostupan samo jedan na jednoj lokaciji.

Prikupljanje dovoljno podataka za preciznu analizu dodatno je otežavao relativno malen broj marsotresa. Također, Mars ima dosta velik atmosferski šum jer ima atmosferu, iako je ona rijeđa od Zemljine, i izložen je velikim dnevnim oscilacijama u temperaturi. To čini izazovnim izoliranje slabih seizmičkih signala od pozadinskog šuma.

Konačno, Mars ima i nisku seizmičku aktivnost u usporedbi sa Zemljom, što znači da su zabilježeni signali u odnosu na šum često bili slabi. Unatoč svim tim izazovima, znanstveni je dvojac pomoću naprednih metoda obrade podataka uspio izolirati korisne informacije.

Važnost otkrića

Ovo otkriće ima dalekosežne implikacije za razumijevanje ne samo Marsa već i drugih stjenovitih planeta. Marsova dihotomija nudi uvid u procese koji su oblikovali planete u ranim fazama Sunčeva sustava. Također, metoda kombiniranja seizmičkih podataka s računalnim modeliranjem predstavlja korak naprijed u istraživanju unutrašnjosti planeta s ograničenim podacima.

"Potrebno nam je još ovakvih misija i zabilježenih seizmograma nakon marsotresa i udara meteorita. No mislim da smo ovim istraživanjem napravili jedan važan korak unaprijed u razumijevanju unutrašnje dinamike Marsa", poručio je naš geofizičar s adresom u Australiji.

Buduća istraživanja

Unatoč značajnim napretcima, neka pitanja i dalje ostaju otvorena. Buduće misije, opremljene dodatnim seizmometrima na različitim lokacijama, mogle bi omogućiti izradu preciznijih karata unutrašnjosti Marsa. Osim toga, trebat će usmjeriti istraživanja na razumijevanje mehanizama kojima su unutarnji procesi planeta mogli utjecati na površinsku geologiju i na potencijal za podržavanje života.

Tkalčić kaže da su dva najzanimljivija dosad neodgovorena pitanja gdje su nestali voda i magnetizam Crvenog planeta.

"Buduće seizmološke analize bavit će se strukturom kore Marsa, a moguće je da će otkriti sloj podzemne vode, ako on postoji. Drugo interesantno pitanje je kako se ugasilo magnetsko polje Marsa, za što će biti potrebno nastaviti istraživati njegovu jezgru putem analize seizmičkih valova", zaključio je Tkalčić.