Обработка сейсмических шумов, зарегистрированных марсианской станцией InSight позволила установить положение границ между основными геосферами Марса. Так, толщина марсианской коры составляет 35 км, и сложена она андезитами и базальтами, отдалённо напоминая земную океаническую кору. Граница между мантией и ядром находится на глубине 1600 километров. Эти выводы согласуются с оценками внутренней структуры Марса, полученными другими независимыми методами.
Посадочный модуль InSight NASA совершил посадку на Марс в районе нагорья Элизий в конце ноября 2018 года. Это автоматическая сейсмостанция, предназначенная для исследования внутреннего строения и сейсмической активности Марса. В конце 2018 — начале 2019 года были развёрнуты и начали работу основные научные инструменты станции: ударный зонд (бур) HP3 для измерения температуры и теплового потока в марсианском грунте, сейсмограф SEIS французского космического агентства CNES, а также системa датчиков марсианской погоды APSS. За полтора года InSight подтвердил заметную сейсмическую активность Марса и зарегистрировал около 200 сейсмических событий, а также установил неоднородность структуры марсианской коры. До этого сейсмограф на Марсе работал только в рамках проектов Viking-1,2 в 1970-е годы.
Марсианский сейсмограф регистрирует сигналы очень разной природы. Сейсмические толчки могут вызываться как собственно тектонической активностью на Марсе, так и ударом метеорита, но кроме них прибор реагирует на шумы другого происхождения, включая марсианскую погоду, шумы аппарата и др. В апреле 2019 года InSight зафиксировал первое «марсотрясение» — серию сейсмических толчков, источник которых находился в глубине планеты. Идея нового исследования планетологов из Университета Райса (Rice University) заключалась в использовании сейсмических «шумов» как источника для сейсморазведки глубинной структуры Марса. Работа с первыми результатами опубликована в августе 2020 года в журнале Geophysical Research Letters.
О внутренней структуре Земли, вплоть до её центра, мы судим, исходя из косвенных методов. Радиус Земли 6400 км, а сверхглубокие скважины имеют глубины не более 10 км (Кольская сверхглубокая скважина — 13 км) и не достигают даже верхних слоёв мантии. Представление о химическом составе вещества внутри Земли можно получить, анализируя магматические породы, которые образуются при застывании магмы на глубине или вблизи поверхности в результате извержений вулканов.
Наиболее информативным методом исследования является сейсмотомография — «просвечивание» Земли сейсмическими волнами от землетрясений и анализ сигналов сетью сейсмических станций на всех континентах. Границы между различными внутренними оболочками Земли (кора — мантия, мантия — ядро и т. д.) являются препятствием для любых видов сейсмических волн: волны отражаются от границ, преломляются на них, изменяя направление луча волны, или в определённых конфигурациях — вообще через эту границу не проходят. Так, одним из первых результатов с использованием принципов сейсмотомографии в начале XX века (слово тогда ещё не употреблялось) было открытие внешнего жидкого ядра Земли. Сейсмоволны распространяются в горных породах со скоростью несколько км/с (типичные значения — 5—8 км/с; это просто скорость звука в соответствующем твёрдом теле). При землетрясении в какой-либо точке Земли через некоторое время волны от него можно будет зарегистрировать на сейсмографах по всему земному шару. Сейсмологи заметили, что для одного из типов упругих волн — поперечных волн, или S-волн, на другой стороне земного шара существует «мёртвая зона», начиная с азимута 105°, куда они не доходят (как видно на схеме). S-волны распространяются только в твёрдых телах, но не в жидкостях и газах, поэтому такая зона и послужила первым указанием на жидкое ядро Земли с границей на глубине около 2900 км.
На Марсе нет или почти нет тектоники литосферных плит, как на Земле, поэтому там происходит мало землетрясений (марсотрясений). Кроме того, неясно, разделяется ли марсианское ядро на жидкую внешнюю часть и твёрдую внутреннюю, как на Земле. С одной стороны, на Марсе почти нет магнитного поля, то есть не действует механизм магнитного геодинамо, в случае Земли связанный с жидким внешним ядром. С другой стороны — гравитационный «отклик», например, измеряемый по обращению спутников Марса, указывает на существование жидкой компоненты ядра (грубо это можно представить себе как разное поведение сырого и варёного яйца, если их раскрутить как волчок). Тем не менее внутренняя структура каменных планет должна быть схожей в силу похожих условий образования: так, ожидается, что верхний слой планеты составляет сравнительно тонкая кора толщиной в десятки километров, под которой располагается мантия, тоже из силикатных пород, но другого состава, и, наконец, самая внутренняя часть планеты радиусом 1—2 тыс. км должна быть занята металлическим ядром (на Земле оно — железно-никелевое). Границы между оболочками должны, как и на Земле, проявляться при их трассировании сейсмическими волнами.
Толщину марсианской коры и радиус ядра уже определяли, исходя из разных моделей, и эти расчёты давали сопоставимые результаты. Например, исследуя небольшие смещения оси вращения Марса (прецессию и нутацию) с орбитальных аппаратов, можно оценить момент инерции планеты, указывающий на распределение массы по глубине, и из этого определить глубину до более тяжёлого ядра. Сейчас данные станции InSight стали первыми прямыми измерениями, давшими опорные точки для уточнения этих моделей.
На Марсе в распоряжении планетологов пока находится только одна станция. Зарегистрированное сейсмическое событие не с чем сопоставлять, а настоящие марсотрясения происходят гораздо реже, чем на Земле. Если бы можно было воспользоваться ещё хоть одним сейсмографом в другой точке Марса, информативность такой «сети» была бы несоизмеримо больше. Сопоставляя времена прихода сигналов на обе станции, уже можно пеленговать их источники и определять свойства пород по пути распространения сигналов — решать обратную задачу сейсмотомографии. Здесь геодезисты или туристы могут уточнить, что для этого нужно бы минимум три станции — как для GPS, но у нас всё равно и двух-то нет. На Луне «Аполлоны» развернули минисеть из пяти сейсмографов в разных точках, но построение трёхмерной модели внутреннего строения Марса по одной станции напоминает трюк Мюнхгаузена по вытягиванию себя за волосы из болота.
Простую сейсмотомографию Марса на одном приборе оказалось возможным выполнить, анализируя сейсмические данные за 2019 год с использованием методики автокорреляции внешнего шума (акустических шумов окружающей среды). Источником сейсмических волн выступают практически любые достаточно сильные возмущения, например, вибрация от работающей аппаратуры станции. Волны распространяются вглубь сквозь марсианские породы, отражаются на внутренних геологических границах и через несколько десятков секунд снова попадают на сейсмоприёмник. При этом отражённый сигнал примерно сохранит форму исходного импульса, и по этому признаку его можно выделить, определив время прохождения конкретного возмущения. Техника автокорреляции — это вычисление корреляции сигнала X(t) с тем же сигналом с некоторым сдвигом по времени X(t+T). То есть отрезок на временной развёртке сигнала сопоставляется с таким же отрезком, но через время T. Если удачно подобрать временной сдвиг T, выбрав его равным времени прохождения волны вниз до отражающей границы в земле и назад до сейсмоприёмника, то две «копии» сигнала будут похожими, и их корреляция — высокой. Если же два сигнала будут никак не связанными, то корреляция будет практически нулевой. Перебирая разные значения T, можно получить «всплески» автокорреляционной функции при некоторых из них — это и будут времена прохождения волн, отражённых от различных границ между внутренними оболочками Марса. Теперь, если знать скорость распространения сейсмической волны, можно найти и глубину залегания геологической границы. А для скоростей звука в марсианских породах мы располагаем некоторыми правдоподобными моделями, полученными из разных геофизических данных и из сопоставления с аналогичными породами на Земле.
Восстановленные сейсмограммы шумовых автокорреляций позволили уверенно выделить несколько отражающих границ. Их интерпретация опирается на соответствующие поверхности раздела во внутренней структуре Земли и не вполне однозначна. Так, два чётких отклика сейсмограмм на частотах 0,6—3 Гц соответствуют неглубоким границам с временами прихода отражённой сейсмоволны 11,5 и 21 секунда. На соответствующих глубинах должна располагаться граница между земной корой и мантией. Это была одна из первых установленных в начале XX века фундаментальных геофизических границ, называемая поверхностью Мохоровичича, или просто Moho.
Более глубокие поверхности раздела марсианских геосфер трассируются при выделении более низкочастотных колебаний 0,05—0,2 Гц: волны с большей длиной волны проникают глубже. Соответствующие времена прохождения волны составляют 280 и 375 секунд, то есть относятся уже к глубинным геосферам. Первая граница определена на глубине 1110—1170 км под местом нахождения робота. Это явно внутримантийный раздел, и, возможно, она соответствует границе геохимического перехода оливин-вадслеит. На Земле эту границу ещё называют «граница 410» по её глубине залегания.
Наконец, поверхность на глубине 1520—1600 км (375 сек) должна соответствовать границе между мантией и ядром, или границе Гуттенберга. На Земле ниже неё находится жидкое внешнее ядро, но в случае с Марсом пока что фазовое состояние ядра неясно.
Мультфильм серии «Марс за 1 минуту» от Jet Propulsion Lab о станции InSight и изучении внутреннего строения Марса.