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Missão InSight: Marte revelado
Com base apenas na gravidade e nos dados topográficos, a espessura da crosta foi estimada entre 30 e 100 km.
Por CNRS - 22/07/2021


Impressão artística da estrutura interna de Marte. Crédito: © IPGP / David Ducros

Usando informações obtidas em cerca de uma dúzia de terremotos detectados em Marte pelo sismômetro Very Broad Band SEIS, desenvolvido na França, a equipe internacional da missão InSight da NASA revelou a estrutura interna de Marte. Os três artigos publicados em 23 de julho de 2021 na revista Science, envolvendo vários coautores de instituições e laboratórios franceses, incluindo o CNRS, o Institut de Physique du Globe de Paris e a Université de Paris, e apoiados em particular pela agência espacial francesa CNES e pela Agência Nacional de Pesquisa Francesa ANR, fornecem, pela primeira vez, uma estimativa do tamanho do núcleo do planeta, da espessura de sua crosta e da estrutura de seu manto, a partir da análise das ondas sísmicas refletidas e modificadas por interfaces em seu interior. Isso torna esta a primeira exploração sísmica da estrutura interna de um planeta terrestre diferente da Terra, e um passo importante para a compreensão da formação e evolução térmica de Marte.

Antes da missão InSight da NASA, a estrutura interna de Marte ainda era mal compreendida. Os modelos foram baseados apenas em dados coletados por satélites em órbita e na análise de meteoritos marcianos que caíram na Terra. Com base apenas na gravidade e nos dados topográficos, a espessura da crosta foi estimada entre 30 e 100 km. Os valores do momento de inércia e densidade do planeta sugeriram um núcleo com raio de 1.400 a 2.000 km. A detalhada estrutura interna de Marte e a profundidade dos limites entre a crosta, o manto e o núcleo eram, no entanto, completamente desconhecidos.

Com a implantação bem-sucedida do experimento SEIS na superfície de Marte no início de 2019, os cientistas da missão, incluindo os 18 coautores franceses envolvidos e afiliados a uma ampla gama de instituições e laboratórios franceses, juntamente com seus colegas da ETH em Zurique, a Universidade de Colônia e o Laboratório de Propulsão a Jato em Pasadena, coletaram e analisaram dados sísmicos ao longo de um ano marciano (quase dois anos terrestres).

Deve-se ressaltar que para determinar simultaneamente um modelo estrutural, o tempo (de chegada) de um terremoto e sua distância, geralmente é necessário mais de uma estação. No entanto, em Marte, os cientistas têm apenas uma estação, a InSight. Portanto, era necessário pesquisar nos registros sísmicos os traços característicos das ondas que haviam interagido de várias maneiras com as estruturas internas de Marte, identificá-las e validá-las. Essas novas medições, aliadas à modelagem mineralógica e térmica da estrutura interna do planeta, permitiram superar a limitação de se ter uma estação única. Este método inaugura uma nova era para a sismologia planetária.

Uma única estação, várias descobertas

Outra dificuldade em Marte é sua baixa sismicidade e o ruído sísmico gerado por sua atmosfera. Na Terra, os terremotos são muito mais fortes, enquanto os sismógrafos são mais efetivamente localizados em cofres ou no subsolo, possibilitando a obtenção de uma imagem precisa do interior do planeta. Como resultado, atenção especial deve ser dada aos dados. "Mas, embora os terremotos marcianos tenham uma magnitude relativamente baixa, inferior a 3,5, a sensibilidade muito alta do sensor VBB combinada com o ruído muito baixo ao anoitecer nos permitiu fazer descobertas que, há dois anos, pensávamos que só seriam possíveis com terremotos com uma magnitude superior a 4 ", explica Philippe Lognonné, professor da Universidade de Paris e investigador principal do instrumento SEIS no IPGP.
 
Todos os dias, os dados, processados ​​pelo CNES, IPGP e CNRS, e transferidos para os cientistas, eram cuidadosamente limpos do ruído ambiente (vento e deformações relacionadas com mudanças bruscas de temperatura). A equipe internacional do Mars Quake Service (MQS) registrou os eventos sísmicos diariamente: Mais de 600 já foram catalogados, dos quais mais de 60 foram causados ​​por terremotos relativamente distantes.

Cerca de dez destes últimos contêm informações sobre a estrutura profunda do planeta: "As ondas sísmicas diretas de um terremoto são um pouco como o som de nossas vozes nas montanhas: elas produzem ecos. E foram esses ecos, refletidos no núcleo, ou na interface crosta-manto ou mesmo na superfície de Marte, que procuramos nos sinais, graças à sua semelhança com as ondas diretas ”, explica Lognonné.

Uma crosta alterada, um manto revelado e um grande núcleo líquido

Ao comparar o comportamento das ondas sísmicas à medida que percorriam a crosta antes de chegar à estação InSight, foram identificadas várias descontinuidades na crosta: A primeira, observada a cerca de 10 km de profundidade, marca o limite entre uma estrutura altamente alterada, resultante de circulação de fluido há muito tempo, e crosta que está apenas ligeiramente alterada. Uma segunda descontinuidade a cerca de 20 km para baixo, e uma terceira, menos pronunciada a cerca de 35 km, lançam luz sobre a estratificação da crosta abaixo do InSight: "Para identificar essas descontinuidades, usamos todos os métodos analíticos mais recentes, ambos com terremotos de origem tectônica e com vibrações causadas pelo ambiente (ruído sísmico) ", diz Benoit Tauzin, professor titular da Universidade de Lyon e pesquisador do LGL-TPE.

No manto, os cientistas analisaram as diferenças entre o tempo de viagem das ondas produzidas diretamente durante o terremoto e o das ondas geradas quando essas ondas diretas eram refletidas na superfície. Essas diferenças possibilitaram, em uma única estação, determinar a estrutura do manto superior e, em particular, a variação das velocidades sísmicas com a profundidade. No entanto, essas variações na velocidade estão relacionadas à temperatura. "Isso significa que podemos estimar o fluxo de calor de Marte, que é provavelmente três a cinco vezes menor do que o da Terra, e colocar restrições na composição da crosta marciana, que se acredita conter mais da metade dos elementos radioativos produtores de calor presentes em o planeta ", acrescenta Henri Samuel, pesquisador do CNRS do IPGP.

Finalmente, no terceiro estudo, os cientistas procuraram ondas refletidas na superfície do núcleo marciano, cuja medição de raio foi uma das principais conquistas da missão InSight. "Para fazer isso", explica Mélanie Drilleau, engenheira de pesquisa do ISAE-SUPAERO, "testamos vários milhares de modelos de manto e núcleo em relação às fases e sinais observados." Apesar das baixas amplitudes dos sinais associados às ondas refletidas (conhecidas como ondas ScS), foi observado um excesso de energia para os testemunhos com raio entre 1.790 km e 1.870 km. Um tamanho tão grande implica a presença de elementos leves no núcleo líquido e tem consequências importantes para a mineralogia do manto na interface manto / núcleo.

Metas alcançadas, novas questões surgem

Mais de dois anos de monitoramento sísmico resultaram no primeiro modelo da estrutura interna de Marte, até o núcleo. Marte, assim, junta-se à Terra e à Lua no seleto clube de planetas e luas terrestres cujas estruturas profundas foram exploradas por sismólogos. E, como costuma acontecer na exploração planetária, novas questões surgem: A alteração dos 10 km superiores da crosta é geral ou está limitada à zona de aterrissagem do InSight? Que impacto esses primeiros modelos terão nas teorias da formação e evolução térmica de Marte, em particular para os primeiros 500 milhões de anos quando Marte tinha água líquida em sua superfície e intensa atividade vulcânica?

Com a extensão de dois anos da missão InSight e a energia elétrica adicional obtida após a limpeza bem-sucedida de seus painéis solares realizada pelo JPL, novos dados devem consolidar e melhorar ainda mais esses modelos.

 

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