У Марса, как и у Земли, есть жидкое ядро. Это доказано данными зонда NASA InSight, работающего на поверхности Красной планеты. Скорее всего, марсианское ядро состоит из расплавленного железа с примесью легких элементов, таких как сера. По расчетам, температура глубоких недр слишком высока, чтобы в них началась кристаллизация. Тем не менее ученые синтезировали необычный сульфид железа, который при определенных условиях может переходить в твердое состояние.
Внутреннее строение Марса / © 2020 Takashi Yoshizaki
Согласно моделям, марсианское ядро гораздо сильнее обогащено легкими элементами, чем земное. Это означает, что процесс формирования планет из первичного вещества происходил по-разному.
Ученые склоняются к тому, что железное ядро Марса легировано серой. Ее было много в солнечной туманности, из которой сформировалась наша планетная система. Во время расслоения недр сера показывала сродство к железу, а процесс выделения ядра проходил в недостаточно восстановительных и высокотемпературных условиях для концентрации других легких элементов, например кремния или кислорода.
Прямых данных об отвердении марсианского ядра нет, как и доказательств, что оно полностью жидкое. С помощью сейсмических наблюдений удалось нащупать границу мантии и ядра, а расчеты плотности показали, что внешняя оболочка ядра находится в расплавленном состоянии. Что там глубже — пока не ясно. Но если внутреннее ядро существует, то его радиус не более 750 километров.
Если принять гипотезу твердого внутреннего ядра, то в процессе охлаждения и отвердевания главную роль играет поведение системы Fe-FeS. При определенных условиях из расплава могут начать кристаллизоваться либо железо, либо его сульфиды. Чем ближе к центру планеты, тем выше вероятность выделения фазы, богатой серой.
Чтобы это проверить, ученые из Германии, Франции и Бельгии провели серию лабораторных экспериментов. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Исследователи синтезировали кристаллическую структуру, описываемую формулой Fe4+xS3, при давлении почти 15 гигапаскалей и температуре 1150 кельвин. Затем исследовали ее состав, плотность и возможную роль в формировании твердого внутреннего ядра.
По расчетам, давление в центре Марса достигает 40 гигапаскалей, а температура — приблизительно 1970 кельвин. В этих условиях тугоплавкий сульфид Fe4+xS3 стабилен. Но если температура в центре планеты падает ниже 1960 кельвин, вещество начинает кристаллизоваться.
Такой сценарий предполагает, что железный расплав содержит 17-25 процентов серы по массе. Если серы — 7-12 процентов по массе, то при охлаждении ядра в его верхней оболочке должны выпадать «железные хлопья», которые вновь расплавятся по мере опускания к центру.
Эта предварительная работа показала, что у современного Марса может быть твердое внутреннее ядро или оно появится в будущем при охлаждении недр. Для уточнения гипотезы нужны новые эксперименты.
