La misión InSight revelará el pasado de Marte oculto a solo cinco metros debajo de su superficie

La misión InSight revelará el pasado de Marte oculto a solo cinco metros debajo de su superficieConcepto artístico del módulo de aterrizaje InSight de la NASA con los dos instrumentos principales desplegados: el sismómetro (izquierda) y la sonda de flujo de calor (derecha). Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech

Los planetas rocosos como Marte y la Tierra se formaron durante las primeras etapas de nuestro Sistema Solar al adquirir su masa a través de colisiones de planetesimales y protoplanetas. Tales colisiones energéticas, así como la descomposición de los elementos radiactivos que producen calor y el proceso de formación del núcleo, producen una gran cantidad de calor que se ha almacenado en el interior del planeta.

Este calor es transportado eficientemente por convección en el manto rocoso, que en escalas de tiempo de millones de años se comporta de manera similar al agua hirviendo en una olla en la estufa, y finalmente se pierde en el espacio a través de la superficie del planeta. El flujo de calor de la superficie (la forma en que un planeta pierde su calor interior) se puede utilizar como indicador de la cantidad de elementos que producen calor en el interior y se puede vincular directamente con la composición del planeta, lo que impone restricciones importantes en los modelos de formación planetaria. Sin embargo, debido a su complejidad, las mediciones directas del flujo de calor superficial en planetas terrestres que no sean la Tierra son escasas y solo están disponibles para la Luna. Pero esto cambiará con la próxima misión de la NASA InSight (Exploración interior usando investigaciones sísmicas, geodesia y transporte de calor).

La misión InSight está programada para lanzarse el próximo año en mayo desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en California. Llegará a Marte después de un viaje de seis meses el 26 de noviembre de 2018 y realizará la investigación geofísica de superficie más completa hasta el momento del planeta rojo. El módulo de aterrizaje InSight colocará un sismómetro en la superficie de Marte y perforará una sonda de flujo de calor a cinco metros de profundidad, en la región de Elysium Planitia, cerca del ecuador del planeta.

Supervisará la actividad sísmica del planeta, la velocidad a la que Marte pierde su calor interior y determinará con precisión la rotación de Marte utilizando el sistema de comunicación del módulo de aterrizaje en el transcurso de un año marciano (dos años terrestres). El instrumento HP3 (paquete de propiedades físicas y flujo de calor) a bordo de InSight, desarrollado en el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), utiliza un mecanismo de martilleo que colocará sensores de temperatura debajo de la superficie de Marte y registrará la velocidad a la que el calor se escapa del interior. del planeta Estas medidas extremadamente valiosas avanzarán nuestra comprensión de cómo funcionan los interiores de los planetas terrestres y limitarán su evolución desde las primeras etapas de formación planetaria hasta el día de hoy.

Aunque aproximadamente dos veces más pequeño y diez veces menos masivo que la Tierra, Marte, al igual que la Tierra, ha experimentado la diferenciación en una corteza y un manto rocosos, y un núcleo rico en hierro. Al igual que la Tierra, Marte tiene volcanes, de hecho, posee los volcanes más espectaculares del Sistema Solar, y también al igual que la Tierra, Marte tiene un polo norte y un polo sur cubiertos de hielo. Pero mientras que en la Tierra los casquetes consisten en hielo de agua, en Marte están hechos de una combinación de hielo de agua y hielo de dióxido de carbono. Sin embargo, debido a que a lo largo de su evolución, Marte fue geológicamente menos activo que la Tierra (por ejemplo, no tiene tectónica de placas), puede haber conservado una historia completa de los primeros procesos que dieron forma a su interior.

Incertidumbres en la estimación del flujo de calor superficial de Marte

En ausencia de mediciones directas del flujo de calor, el flujo de calor de la superficie marciana se estima a partir de mediciones de la flexión de la litosfera, es decir, la parte más externa rígida del manto, bajo la carga de grandes construcciones volcánicas y casquetes polares, similar a un budín de gelatina que se deforma bajo el peso de una galleta encima. La base de la parte de la litosfera que se comporta elásticamente y se dobla bajo esta carga se puede aproximar por una temperatura característica. La profundidad de la litosfera elástica y su temperatura correspondiente junto con suposiciones y estimaciones de la conductividad térmica y la distribución de elementos radiactivos que producen calor en la corteza y el manto pueden proporcionar un valor de flujo de calor.

Sin embargo, surgen incertidumbres debido a que se han construido grandes centros volcánicos a lo largo de millones y miles de millones de años, y las únicas estimaciones confiables de grosor elástico en la actualidad son las obtenidas en los polos norte y sur de Marte a partir de la desviación de la litosfera debajo de los casquetes polares. Sin embargo, la estimación del grosor elástico del polo norte muestra un valor superior a los 300 km, que no puede conciliarse con los estudios numéricos de la evolución interior de Marte. Se ha argumentado que dicho valor no puede ser representativo a nivel mundial o que el interior de Marte contiene muchos menos elementos radiactivos que producen calor de lo previsto por varios escenarios de formación planetaria. El instrumento HP3 a bordo de InSight probará cuál de las hipótesis anteriores es cierta realizando la primera medición directa del flujo de calor actual de Marte en la región de Elysium Planitia.

Simulaciones numéricas de evolución térmica

Dado que las mediciones de InSight se realizarán en un solo lugar en la superficie de Marte, se necesita ayuda para interpretarlas en un contexto global. Con el extraordinario aumento del poder computacional en las últimas décadas, las simulaciones numéricas de la convección del manto y la evolución planetaria se han convertido en una herramienta poderosa para modelar procesos físicos complejos que están activos en el interior de los cuerpos terrestres en todo nuestro Sistema Solar y más allá. Tales simulaciones numéricas a gran escala se realizan en centros de supercomputación dedicados y se ejecutan con cientos o miles de núcleos computacionales en paralelo.

Se han utilizado simulaciones numéricas de convección del manto que investigan la evolución interior de Marte y realizadas en el Instituto DLR de Investigación Planetaria para evaluar las variaciones espaciales del flujo de calor superficial causado por las plumas del manto. Las plumas del manto son anomalías térmicas calientes que normalmente se originan en el límite entre el núcleo y el manto y se cree que son responsables de la actividad volcánica más joven en Marte en las provincias de Tharsis y Elysium. Estas anomalías térmicas, sin embargo, podrían afectar la medición del flujo de calor si se ubican cerca del lugar de aterrizaje de InSight, lo que dificulta la reconstrucción del flujo de calor superficial promedio.

Hemos llevado a cabo una variedad de simulaciones numéricas de la evolución interior de Marte que abarcan un gran conjunto de parámetros. Todas las simulaciones emplean variaciones de espesor de la corteza compatibles con los datos de gravedad y topografía. Las ligeras variaciones en el campo gravitacional que experimentan los orbitadores que vuelan alrededor de Marte, combinadas con los datos topográficos obtenidos por el instrumento Mars Orbiter Laser Altimeter a bordo del Mars Global Surveyor, se pueden utilizar para obtener mapas de espesor de la corteza. El material de la corteza tiene un contenido elevado de elementos radiactivos que producen calor en comparación con el material del manto porque estos elementos se extraen del interior al fundirse y se enriquecen en la corteza. Nuestras simulaciones numéricas coinciden con la abundancia superficial actual de elementos radiogénicos medidos por el espectrómetro de rayos gamma a bordo de la nave espacial Mars Odyssey y representan hasta la fecha las simulaciones más detalladas del interior actual de Marte.

La misión InSight revelará el pasado de Marte oculto a solo cinco metros debajo de su superficie

Posible patrón de convección en el interior de Marte y un mapa de flujo de calor superficial típico predicho por las simulaciones numéricas en 3D de la evolución interior. Crédito de la imagen: DLR/NASA/JPL-Caltech

Los resultados numéricos muestran que es poco probable que las plumas del manto afecten las mediciones del flujo de calor porque se encuentra que tales anomalías térmicas permanecen confinadas a algunas provincias geológicas como los grandes centros volcánicos Tharsis y Elysium y a una distancia considerable del lugar de aterrizaje de InSight. Nuestros modelos muestran que el valor del flujo de calor de superficie obtenido en la ubicación de InSight es muy similar al flujo de calor de superficie promedio, lo que sugiere que InSight arrojaría una medición de flujo de calor representativa para el Marte actual. Además, la presencia de plumas del manto puede introducir grandes variaciones en el espesor de la litosfera elástica y permitir reconciliar modelos numéricos de evolución interior con la estimación del espesor elástico del polo norte.

El flujo de calor lunar y las mediciones sísmicas, realizadas por los astronautas durante las misiones Apolo, han mejorado enormemente nuestra comprensión del interior de la Luna. La próxima misión InSight realizará sus mediciones de forma autónoma en la superficie de Marte y devolverá datos valiosos que nos ayudarán a comprender la formación y evolución de Marte y otros planetas terrestres.

Referencias

  • Plesa, A.-C., M. Grott, N. Tosi, D. Breuer, T. Spohn y MA Wieczorek (2016), ¿Qué tan grandes son las variaciones actuales del flujo de calor en la superficie de Marte?, J. Geophys . Res. Planetas, 121, 2386–2403, doi:10.1002/2016JE005126.

Este estudio ¿Qué tan grandes son las variaciones actuales del flujo de calor en la superficie de Marte? fue publicado recientemente en el Journal of Geophysical Research: Planets.

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