¿Qué pueden revelar las ondas sísmicas sobre la corteza de Marte?

Los investigadores que trabajan para Marsquake Service en ETH Zurich utilizan el sismómetro de la misión InSight de la NASA para analizar las mediciones de las ondas sísmicas en la corteza marciana.

Durante casi tres años, las únicas ondas sísmicas que detectó en Marte fueron las que se propagaban desde el epicentro del terremoto en cuestión, o descendían, a través de las profundidades del planeta.

Ahora, el equipo de investigación pudo ver un evento que mostraba ondas viajando a lo largo superficie de marte por primera vez. El 24 de diciembre de 2021, el impacto de un meteorito en Marte produjo el tipo de ondas sísmicas que esperaban ver.

El estudio se titulaLos cráteres de impacto recientes más grandes en Marte: imágenes orbitales e investigación sísmica de superficie conjuntafue publicado en la revista Ciencias.

¿Qué revelan los patrones de ondas sísmicas sobre la corteza de Marte?

Las características atípicas en las lecturas del terremoto llevaron a los investigadores a sospechar que su origen estaba cerca de la superficie, por lo que contactaron a colegas que estaban trabajando con una sonda en órbita alrededor de Marte. Las imágenes tomadas por el Mars Reconnaissance Orbiter a fines de diciembre de 2021 mostraron un gran cráter a unos 3500 kilómetros de InSight.

«El sitio coincidió bien con nuestras estimaciones de la fuente del terremoto», dijo Doyeon Kim, geofísico y científico investigador principal del Instituto de Geofísica de ETH en Zúrich.

Los investigadores también pudieron identificar el impacto de un meteorito a poco menos de 7500 kilómetros (alrededor de 5000 millas) de InSight como la fuente de un segundo terremoto atípico.

Dado que el centro de cada terremoto estaba en la superficie, generaba no solo ondas sísmicas similares a los terremotos registrados anteriormente en los que los epicentros de los terremotos estaban a mayor profundidad, sino también ondas que se propagaban por la superficie del planeta.

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«Esta es la primera vez que se detectan ondas sísmicas superficiales en un planeta que no sea la Tierra. Incluso las misiones Apolo a la Luna no tuvieron éxito», afirmó Kim.

Lo que hace que las ondas superficiales sísmicas sean tan importantes para los investigadores es que brindan información sobre la estructura de la corteza de Marte. Las ondas de cuerpo sísmico, que viajan a través del interior del planeta durante un terremoto, han brindado información hasta ahora sobre el núcleo y el manto de Marte, pero han revelado poco sobre la corteza más allá de la sonda.

«Hasta ahora, nuestro conocimiento de la corteza de Marte se ha basado en medir solo un punto debajo del módulo de aterrizaje InSight», explicó Kim.

Los resultados del análisis de ondas fueron sorprendentes porque la corteza marciana entre los sitios de colisión y el sismómetro InSight suele tener una estructura uniforme y alta densidad. Sin embargo, los investigadores descubrieron tres capas de la corteza, lo que indica una menor densidad.

Explicación de la mayor velocidad sísmica

Estos nuevos hallazgos son fascinantes porque la corteza del planeta proporciona pistas importantes sobre cómo se formó y evolucionó ese planeta. Dado que la corteza en sí es el resultado de procesos dinámicos tempranos en el manto y procesos rocosos posteriores, puede informarnos sobre las condiciones de hace miles de millones de años y la cronología de los impactos, que fueron especialmente comunes en los primeros días de Marte.

Kim explicó cómo se realizó la nueva medición: «La velocidad con la que se propagan las ondas superficiales depende de su frecuencia, que a su vez depende de su profundidad».

Al medir los cambios de velocidad en los datos sísmicos a través de diferentes frecuencias, es posible inferir cómo cambia la velocidad a diferentes profundidades porque cada frecuencia es sensible a diferentes profundidades.

Esto proporciona la base para estimar la densidad promedio de las rocas, porque la velocidad sísmica también depende de las propiedades elásticas del material a través del cual viajan las ondas. Estos datos permitieron a los investigadores determinar la estructura de la corteza a profundidades de entre 5 y 30 kilómetros bajo la superficie de Marte.

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Los investigadores intentaron responder una serie de preguntas sobre la velocidad promedio de las ondas sísmicas: ¿Por qué la velocidad promedio de las ondas superficiales observadas recientemente fue mucho más alta de lo esperado, según una medición de punto anterior bajo el módulo de aterrizaje Mars InSight? ¿Esto se debe principalmente a las rocas de la superficie o hay otros mecanismos en juego?

En general, las rocas ígneas muestran velocidades sísmicas más altas que las rocas sedimentarias. Además, los caminos entre el impacto del meteorito y el sitio de medición pasan por una de las regiones volcánicas más grandes del hemisferio norte de Marte.

El equipo determinó que esta anomalía es causada por flujos piroclásticos y poros que cierran el espacio por el calor de los procesos volcánicos, ya que estos factores pueden aumentar la velocidad de las ondas sísmicas.

«Por otro lado, la estructura de la corteza debajo del lugar de aterrizaje de InSight puede haber sido única en cierto modo, tal vez cuando se expulsó material durante el impacto de un gran meteorito hace más de tres mil millones de años. Esto podría significar que la estructura de la corteza debajo de la sonda probablemente no representa la estructura general de la corteza marciana».

Resuelve el misterio de la división de Marte

Estos nuevos descubrimientos pueden ayudar a resolver un misterio centenario. Desde que los primeros telescopios apuntaron a Marte, se sabe que existe un marcado contraste entre los hemisferios sur y norte.

Mientras que la característica dominante del hemisferio sur es una meseta cubierta con cráteres de meteoritos, el hemisferio norte se compone principalmente de tierras bajas volcánicas planas que pueden haber estado cubiertas por océanos en la historia temprana del planeta. Esta división en las tierras altas del sur y las tierras bajas del norte se conoce como la división marciana.

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«Tal como están las cosas, todavía no tenemos una explicación generalmente aceptada para la división porque nunca hemos podido ver la estructura profunda del planeta. Recién ahora estamos comenzando a descubrir esto», dijo Domenico Giardini, profesor de sismología y geodinámica en ETH Zurich.

Los hallazgos iniciales parecen refutar una teoría popular de la división de Marte: las cortezas al norte y al sur pueden no estar compuestas de diferentes materiales, como se supone a menudo, y su estructura puede ser sorprendentemente similar a profundidades relevantes.

¿Podrían más hallazgos explicar estas anomalías?

Los investigadores de ETH Zurich esperan más resultados pronto. En mayo de 2022, InSight notó el terremoto más grande hasta la fecha, con una magnitud de cinco. También se registraron ondas superficiales sísmicas resultantes de este evento somero. Esto sucedió justo a tiempo, dado que la misión InSight pronto terminará ahora que los paneles solares del módulo de aterrizaje están cubiertos de polvo y se está agotando la energía.

El análisis preliminar de los datos confirma los resultados obtenidos por los investigadores de otros impactos de meteoritos. «Esto es una locura. Hemos estado esperando estas ondas durante mucho tiempo y ahora, solo unos meses después del impacto del meteorito, notamos este gran terremoto que produjo ondas sísmicas muy ricas. Estas nos permiten ver más profundamente en el corteza hasta unos 90 kilómetros de profundidad», concluyó Kim.

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