화성과 지구와 같은 바위 행성은 태양계의 초기 단계에서 행성 및 프로토 플라네트의 충돌을 통해 질량을 획득함으로써 형성되었습니다. 방사성 열 생성 요소의 붕괴뿐만 아니라 이러한 에너지 충돌과 핵심 형성 과정은 행성 내부에 저장된 많은 양의 열을 생성합니다.
.이 열은 바위가 많은 맨틀의 대류에 의해 효율적으로 운반되는데, 수백만 년 동안 스토브의 냄비에 끓는 물과 비슷하게 행동하며 결국 행성 표면을 통해 우주로 잃어 버립니다. 표면 열 흐름 (행성이 내부 열을 잃는 방식)은 내부의 열 생산 요소의 양을 나타내는 지표로 사용될 수 있으며 행성 구성과 직접 연결되어 행성 형성 모델에 중요한 제약을 배치 할 수 있습니다. 그러나 복잡성으로 인해 지구 이외의 지상 행성의 직접적인 열 흐름 측정은 드물며 달에만 사용할 수 있습니다. 그러나 이것은 다가오는 NASA Mission Insight (지진 조사, 지오 디시 및 열 수송을 사용한 내부 탐사)에 따라 변할 것입니다.
.Insight Mission은 내년 5 월 캘리포니아의 Vandenberg 공군 기지에서 시작될 예정입니다. 2018 년 11 월 26 일에 6 개월 여행을 마치고 화성에 도달 할 것이며, 레드 행성에서 가장 포괄적 인 표면 기반 지구 물리학 적 조사를 수행 할 것입니다. Insight Lander는 화성 표면에 지진계를 놓고 지구의 적도 근처의 Elysium Planitia 지역에서 5 미터 아래로 열 흐름 프로브를 뚫습니다.
.행성의 지진 활동을 모니터링 할 것입니다. 화성은 내부 열을 잃고 1 년 연도 (2 년) 동안 Lander의 통신 시스템을 사용하여 화성의 회전을 정확하게 결정하는 비율입니다. 독일 항공 우주 센터 (DLR)에서 개발 된 HP (열 흐름 및 물리적 특성 패키지)기구 온보드 통찰력은 온도 센서를 화성 표면 아래에 배치 할 수있는 망치 메커니즘을 사용하여 열 내부에서 열이 빠져 나가는 속도를 기록합니다. 이러한 매우 귀중한 측정은 지상 행성의 내부가 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 이해를 발전시키고 행성 형성의 초기 단계에서 현재까지 그들의 진화를 제한합니다.
.지구보다 약 2 배 작고 10 배 덜 거대하지만 지구와 같은 화성은 바위가 많은 빵 껍질과 맨틀과 철이 풍부한 코어로의 차별화를 경험했습니다. 지구와 마찬가지로 화성과 마찬가지로 화성은 화산을 가지고 있습니다. 실제로 태양계에서 가장 화려한 화산을 보유하고 있으며 지구와 마찬가지로 화성은 북쪽과 남극이 얼음으로 덮여 있습니다. 그러나 지구상에서 캡은 물 얼음으로 구성되며 화성에서는 물 얼음과 이산화탄소 얼음의 조합으로 만들어졌습니다. 그럼에도 불구하고, 진화 전반에 걸쳐 화성은 지구보다 지질 학적으로 덜 활동적 이었기 때문에 (예를 들어, 판 구조론이 없음) 내부를 형성 한 가장 초기 과정의 완전한 역사를 유지했을 수 있습니다.
.화성의 표면 열 흐름을 추정 할 때의 불확실성
직접 열 흐름 측정이없는 경우, 화성 표면 열 흐름은 선립권의 굽힘 측정, 즉 맨틀의 쿠키의 무게 하에서 젤로 푸딩과 유사한 대형 화산 구조물 및 극지 얼음 캡의 하중 하에서 맨틀의 가장 딱딱한 부분을 측정하여 추정됩니다. 이 하중 하에서 탄력적으로 행동하고 구부러지는 석판권 부분의 기저부는 특징적인 온도에 의해 근사화 될 수 있습니다. 열전도율의 가정 및 추정치 및 빵 껍질과 맨틀의 방사성 열 생산 원소의 분포와 함께 탄성 석판 및 그 상응하는 온도의 깊이와 그에 상응하는 온도는 열 흐름 값을 제공 할 수 있습니다.
그럼에도 불구하고, 대형 화산 센터가 수백만과 수십억 년에 걸쳐 건설 되었기 때문에 불확실성이 발생하며, 현재의 유일한 신뢰할 수있는 탄력성 두께 추정치는 얼음 캡 아래의 석판화가 편향되어 화성의 북쪽 및 남쪽 극에서 얻은 것입니다. 그러나 탄성 두께의 북극 추정치는 300km보다 큰 값을 보여 주며, 화성 내부 진화에 대한 수치 연구와 함께 조정할 수 없습니다. 그러한 값은 전 세계적으로 대표적이거나 화성 내부에는 다양한 행성 형성 시나리오에 의해 예측 된 것보다 훨씬 적은 방사성 열 생산 원소가 포함되어 있다고 주장되었다. HP3Instrument Onboard Insight는 Elysium Planitia 지역에서 화성의 첫날 열 흐름을 첫날 직접 측정함으로써 위의 가설 중 어느 것이 사실인지 테스트합니다.
.열 진화의 수치 시뮬레이션
통찰력 측정은 화성 표면의 단일 위치에서 수행되므로 글로벌 맥락에서 해석하는 데 도움이 필요합니다. 지난 수십 년 동안 맨틀 대류 및 행성 진화에 대한 수치 시뮬레이션에 걸쳐 계산력이 엄청나게 증가함에 따라 태양계와 그 이후의 지상체 내부에서 활성화 된 복잡한 물리적 과정을 모델링하는 강력한 도구가되었습니다. 이러한 대규모 수치 시뮬레이션은 전용 슈퍼 컴퓨터 센터에서 수행되며 수백 또는 수천 개의 전산 코어로 동시에 실행됩니다.
화성의 내부 진화를 조사하고 DLR 행성 연구소에서 수행 된 맨틀 대류의 수치 시뮬레이션은 맨틀 깃털로 인한 표면 열 흐름의 공간적 변화를 평가하는 데 사용되었습니다. 맨틀 깃털은 일반적으로 핵심 맨틀 경계에서 유래하는 뜨거운 열 변칙이며 타르시와 엘리시움 지방의 화성에서 가장 어린 화산 활동을 담당하는 것으로 여겨집니다. 그러나 이러한 열 이상은 통찰력 착륙 현장의 근접성에 위치한 경우 열 흐름 측정에 영향을 줄 수 있습니다. 평균 표면 열 흐름을 재구성하기가 어렵습니다.
.우리는 많은 매개 변수 세트에 걸쳐 화성의 내부 진화에 대한 다양한 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 모든 시뮬레이션은 중력 및 지형 데이터와 호환되는 지각 두께 변화를 사용합니다. 화성 주위를 비행하는 Orbiters가 비행하는 중력 분야의 약간의 변화는 화성 오 궤도 레이저 고도계 기기에서 얻은 지형 데이터와 결합 된 화성 측량기 글로벌 측량사를 사용하여 지각 두께 맵을 도출하는 데 사용할 수 있습니다. 크러스트 물질은 맨틀 재료와 비교하여 방사성 열 생성 요소의 증가 된 함량이 높아졌습니다. 왜냐하면 이들 요소는 녹을 때 내부에서 추출되고 빵 껍질이 풍부하기 때문이다. 우리의 수치 시뮬레이션은 오늘날의 화성 오디세이 우주선에서 Gamma-ray 분광계에 의해 측정 된 방사선 생성 요소의 현재 표면 풍부함과 일치하며 현재까지 화성 내부의 가장 상세한 시뮬레이션을 나타냅니다.
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수치 결과는 맨틀 깃털이 열 흐름 측정에 영향을 미치지 않을 것임을 보여줍니다. 이러한 열 이상은 대형 화산 센터 tharsis 및 elysium과 같은 일부 지질 지방에 국한되어 있으며 통찰력 착륙 현장에서 상당한 거리에있는 것으로 밝혀 졌기 때문입니다. 우리의 모델은 통찰력 위치에서 얻은 표면 열 흐름 값이 평균 표면 열 흐름과 매우 유사하다는 것을 보여줍니다. 더욱이, 맨틀 깃털의 존재는 탄성 석판 두께의 큰 변화를 일으킬 수 있으며, 북극 탄성 두께 추정치와 내부 진화의 수치 모델을 조정할 수있다.
.아폴로 임무 중에 우주 비행사들이 수행 한 음력 흐름과 지진 측정은 달의 내부에 대한 우리의 이해를 크게 향상시켰다. 다가오는 Insight Mission은 화성 표면에서 자율적으로 측정을 수행하고 화성 및 기타 지상 행성의 형성과 진화를 이해하는 데 도움이되는 귀중한 데이터를 반환 할 것입니다.
.참조
- Plesa, A.-C., M. Grott, N. Tosi, D. Breuer, T. Spohn 및 M. A. Wieczorek (2016), 화성 표면에 걸쳐 오늘날의 열유속 변화는 얼마나 큰가?, J. Geophys. 해안 행성, 121, 2386–2403, doi :10.1002/2016 JE005126.
이 연구는 화성 표면에서 오늘날의 열유속 변화가 얼마나 큽니까? 최근 Journal of Geophysical Research :Planets 에 출판되었습니다 .
