Марс опрокинула струя

Две вещи, которые поражают при первом взгляде на топографическую карту Марса, – это кардинальное отличие северного и южного полушарий планеты и огромный вулканический район Фарсида, или Тарсис. Возможно, что обе эти особенности – следствия одного и того же явления. По крайней мере, модель, которую построил Шицзэ Чжун из Университета американского штата Колорадо, естественным образом объясняет, почему Тарсис находится на границе между так не похожими друг на друга половинками Марса.

По исследованиям планетологов, марсианская дихотомия существует уже не менее 4,1 миллиарда лет, то есть появилась уже вскоре после оформления самого Марса как планеты Солнечной системы. Северная половина планеты – сплошь равнины, изредка пересекаемые невысокими горами и усыпанные кратерами. Южная не менее изрытая метеоритными ударами, но куда более гористая, с единственной низменной равниной Эллада. В среднем юг на 4–5 км выше, чем север (относительно равновесного уровня океана, которым мы можем мысленно покрыть планету).

Вулканическое поднятие Тарсис и вовсе самый гористый район на планете, на котором расположена крупнейшая гора Солнечной системы – потухший вулкан Олимп высотой около 26 км. Однако помимо собственно гор Фарсиды поднятие включает в себя также нагорья Таумазию и Сирийское плоскогорье к югу. В то же время к северу от Олимпа находится система древних разрушенных вулканов – патер, крупнейшая из которых, патера Альба, не уступает Олимпу в обхвате, хотя значительно (почти в 10 раз) проигрывает по высоте развалившихся за долгие годы склонов кальдеры. Возраст самых древних элементов Тарсиса оценивают в 3,7–4 миллиарда лет.

Все потухшие (а может быть, просто спящие) вулканы поднятия Тарсис выстроены более или менее вдоль одной линии.

Такие цепочки встречаются и на Земле – например, вулканы Гавайских или Маршалловых островов, и считается, что они образуются на литосферных плитах, под которыми находится мантийная струя (плюм) горячего вещества, бьющая прямо от ядра планеты. Положение конвективных струй в мантии достаточно устойчиво, а плиты проплывают над ними. В результате вулканическая активность, которую питают такие струи, со временем сдвигается к «корме» движущейся плиты.

Могло ли что-то подобное случиться на Марсе? Вообще говоря, не очевидно. Дело в том, что марсианская литосфера (кора плюс верхний вязкий слой мантии) не разбита на плиты. Или, если так больше нравится, можно сказать, что литосферная плита на Марсе есть, но только одна, и покрывает она всю поверхность планеты. Поэтому репертуар возможных перемещений этой плиты невелик – понятно, что, когда ты всякий раз натыкаешься на части самого себя, куда бы ни отправился, движения слегка стеснены. Это земные плиты могут резвиться в астеносфере, подныривая друг под друга. Марсианская плита может только вращаться.

Согласно модели Чжуна, вращаться она будет ровно так, как нужно для появления цепочки марсианских вулканов.

И остановится именно в том положении, в котором мы её наблюдаем. Это совпадение – конечно, не доказательство, что всё именно так и было. Но весьма убедительное свидетельство, считает учёный. Его работа принята к публикации в Nature Geoscience.

Чжун построил трёхмерную модель, включающую механическое и тепловое взаимодействие планетного ядра, мантии и литосферы. Собственно, от ядра в модели только граница, которая служит источником тепла. В жидкой мантии имеется один мощный «суперплюм», которому конвективные движения вещества и постоянная подпитка теплом от ядра позволяют устойчиво существовать на протяжении миллионов и миллиардов лет.

А вот литосфера, тягучая верхняя мантия с твёрдой корой, разделена на две полусферы – тонкую и толстую; толщина последней более или менее равномерно (в зависимости от версии модели) уменьшается от центра к краям, где она переходит в тонкую. Разница в толщине составляет более 100 км, хотя южная половины коры всего на 5 км выше, на глубине эти различия куда более значительны, так как поддерживать толстую, более тяжёлую кору давление может только на большей глубине.

Изначально мантийная струя бьёт в толстую половину, и та начинает двигаться. Понять такой поворот, кажется, несложно: ударяясь о «наклонную» поверхность (толщина литосферы меняется), струя в большей степени растекается в тонкую сторону, и возникает отдача. Реальное положение вещей, согласно модели, сложнее: здесь часть вещества, которое приносит плюм, прилипает к литосфере, однако в целом раскрутка работает примерно таким же образом.

Как показывают расчёты, куда именно струя направлена изначально, не так уж и важно.

Со временем сферическая плита поворачивается так, что выход плюма оказывается где-то посерёдке между толстой и тонкой сторонами.

В таком положении литосфера и остаётся, покачиваясь с амплитудой в 5–10 градусов и периодом в миллионы лет. Пока она ходит туда-сюда, образуется цепь вулканов. А полный поворот от начального состояния может составить и более 90 градусов.

По мнению Чжуна, его модель может решить и вопрос о происхождении асимметрии между двумя половинками Марса. Ведь вещество, которое поднимается со струёй, не только циркулирует от ядра к литосфере, но и частично прилипает к последней. Возможно, именно струя, а не удар какого-то небесного тела и создал загадочную марсианскую дихотомию. Конечно, при этом остаётся непонятным, почему вообще возникла гигантская мантийная струя.

Интересно, и насколько устойчива сохраняющаяся сейчас конфигурация. Для быстро вращающегося тела (а марсианские сутки лишь немногим длиннее земных) естественно положение, при котором ту же энергию вращения можно «закачать» в длительные обороты. По этой причине жонглёры, к примеру, могут легко заставить свои булавы вращаться вокруг поперечной оси, но не продольной. Несимметричному Марсу в этом смысле проще вращаться так, чтобы граница между половинками проходила по меридиану, а не по экватору. Возможно, Марсу предстоит ещё немало «поворочаться».