新的研究发现，火星的液态铁核心比先前认为的更小更致密

对InSight任务记录的火星地震数据的分析显示，火星的液态铁核心被150公里厚的熔融硅酸盐层所包围，因此其核心比以前提出的更小更致密。鸣谢:uux.cn/艺术品:Thibaut Roger，NCCR星球S / ETH苏黎世

（神秘的地球uux.cn）据苏黎世联邦理工学院（芭芭拉·沃纳伯格）：四年来，美国宇航局的InSight着陆器用地震计记录了火星上的震动。苏黎世联邦理工学院的研究人员收集并分析了传输到地球的数据，以确定地球的内部结构。“虽然这项任务在2022年12月结束，但我们现在发现了一些非常有趣的事情，”苏黎世联邦理工学院地球科学系的高级科学家阿米尔·可汗说。

对记录的地震进行分析，结合计算机模拟，描绘出了一幅新的地球内部图像。夹在火星液态铁合金核心和固态硅酸盐地幔之间的是一层大约150公里厚的液态硅酸盐(岩浆)。“地球没有像那样完全熔融的硅酸盐层，”汗说。

这一发现现在发表在《自然》杂志上，与巴黎地球物理研究所的亨利·塞缪尔领导的一项研究一起，使用互补的方法得出了类似的结论，也提供了关于火星内核大小和组成的新信息，解决了研究人员迄今无法解释的一个谜。

对最初观察到的火星地震的分析表明，火星地核的平均密度一定比纯液态铁的密度低得多。例如，地球的核心由大约90%重量的铁组成。

像硫、碳、氧和氢这样的轻元素加起来大约占总重量的10%。对火星核心密度的初步估计显示，它由更大份额的轻元素组成——重量百分比约为20%。“这代表了一个非常大的光元素补充，近乎不可能。苏黎世联邦理工学院地球科学系的博士后研究员黄东阳说。

新的观测表明，火星内核的半径已经从最初确定的1800-1850公里范围减小到1650-1700公里范围内的某个地方，这大约是火星半径的50%。如果火星内核比先前认为的要小，但质量相同，那么它的密度就更大，因此包含的轻元素也更少。根据新的计算，按重量计算，轻元素的比例下降到9%到14%之间。

“这意味着火星核心的平均密度仍然有点低，但在典型的行星形成场景中不再令人费解，”苏黎世联邦理工学院地球科学系助理教授兼国家行星研究能力中心(NCCRs)成员Paolo Sossi说。

火星核心包含大量轻元素的事实表明，它肯定形成得非常早，可能是在太阳仍然被星云气体包围的时候，轻元素可能从星云气体中积累在火星核心中。

最初的计算是基于InSight着陆器附近发生的震动。然而，在2021年8月和9月，地震仪记录了火星对面的两次地震。其中一个是由陨石撞击造成的。“这些地震产生了穿过地核的地震波，”苏黎世联邦理工学院地球科学系的博士生塞西莉亚·杜兰解释道。

"这让我们能够照亮核心."相比之下，在早期的火星地震中，地震波在地核-地幔边界被反射，没有提供关于这颗红色星球最深处的信息。由于这些新的观察，研究人员现在已经能够确定大约1000公里深度的流体核心的密度和地震波速度。

为了从这些轮廓中推断材料的成分，研究人员通常将数据与含有不同比例轻元素(S、C、O和H)的合成铁合金进行比较。在实验室中，这些合金暴露在相当于火星内部的高温和高压下，允许研究人员直接测量密度和地震波速度。

然而，目前大多数实验都是在地球内部的普遍条件下进行的，因此不能立即应用于火星。因此，苏黎世联邦理工学院的研究人员采取了不同的方法。他们在瑞士卢加诺的瑞士国家超级计算中心(CSCS)进行量子力学计算，计算出各种合金的属性。

当研究人员将计算的剖面与他们基于InSight地震数据的测量进行比较时，他们遇到了一个问题。结果发现，没有铁-轻元素合金同时符合火星核心顶部和中心的数据。举例来说，在地核与地幔的交界处，铁合金所含的碳比地核内部要多得多。

“我们花了一段时间才意识到，我们以前认为是外部液态铁核心的区域根本不是核心，而是地幔的最深处，”黄解释说。为了支持这一点，研究人员还发现，在核心最外面150公里处测量和计算的密度和地震波速度与液态硅酸盐一致，液态硅酸盐是构成火星地幔的固态物质。

对早期地震的进一步分析和额外的计算机模拟证实了这一结果。唯一令人遗憾的是，布满灰尘的太阳能电池板和由此导致的电力不足使得InSight着陆器无法提供更多数据，这些数据本可以揭示火星内部的组成和结构。“然而，InSight是一次非常成功的任务，为我们提供了许多新的数据和见解，这些数据和见解将在未来几年进行分析，”Khan说。