| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
I bůh války se třese aneb otřesné zprávy z Marsu
Rudolf Mentzl
Před třemi roky jsme na tomto místě (AB 37/2018) přinesli zprávu o chystané misi InSight Mars LanderInSight – Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Americká sonda určená k výzkumu Marsu. V popředí jsou experimenty zaměřené na seismický výzkum vnitřní struktury planety. Sonda vystartovala 5. května 2018 ze základny Vandenberg, na Marsu úspěšně přistála 26. listopadu téhož roku. Mise fungovala do 15. prosince 2022, kdy byla ukončena z důvodu nedostatečného přísunu energie díky zaprášeným panelům slunečních baterií.. Ani ne za čtvrt roku sonda úspěšně přistála a dnes se můžeme těšit z vyhodnocených dat. Mise samozřejmě nemohla dosáhnout takového mediálního zájmu jako třeba vozítko Perseverance, které vypustilo první marťanský vrtulník Ingenuity. O to větší je přínos vědecký. Díky citlivému seismometru jsme nahlédli pod povrch planety.
Logo mise InSight. Zdroj: NASA/JPL-Caltech.
|
Mars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila. InSight – Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Americká sonda určená k výzkumu Marsu. V popředí jsou experimenty zaměřené na seismický výzkum vnitřní struktury planety. Sonda vystartovala 5. května 2018 ze základny Vandenberg, na Marsu úspěšně přistála 26. listopadu téhož roku. Mise fungovala do 15. prosince 2022, kdy byla ukončena z důvodu nedostatečného přísunu energie díky zaprášeným panelům slunečních baterií. Loveho vlny – seismické vlny, které se šíří v kůře planety po jejím povrchu. Jedná se o příčné vlnění. Jde o typické střižné vlny, které byly pojmenováno podle anglického matematika Augusta Edwarda Hougha Loveho. Rayleighovy vlny – seismické vlny, které se šíří v kůře planety po jejím povrchu. Podobají se vlnění na vodě. Jedná se o složeninu příčného a podélného vlnění. Body vykonávají krouživé pohyby. Vlny byly pojmenovány podle anglického matematika a fyzika Johna Williama Strutta, třetího barona Rayleigho. P vlny – primární seismické vlny, které se šíří vlastním tělesem planety. Jedná se o podélné vlny zhuštění a zředění v pevném nebo kapalném prostředí, někdy tento typ vln označujeme jako kompresní vlny. Písmeno P pochází z anglického slova Primary. S vlny – sekundární seismické vlny, které se šíří vlastním tělesem planety. Jedná se o příčné vlny v pevném prostředí. Kapalným prostředím se nešíří. Látka v této vlně vybočuje kolmo na směr šíření, a vytváří tak charakteristické zvlnění. Písmeno S pochází z anglického slova Secondary. |
Jak se třese planeta
S pátráním po podpovrchových strukturách máme letité zkušenosti ze Země. Seismologie rozlišuje především vlny objemové a povrchové. Objemové vlny se šíří buď podélně (P vlny), nebo příčně (tzv. střižné S vlny). P vlny jsou spojeny s kompresí a expanzí ve směru jejich šíření. Jsou detekovány před S vlnami, které vyvolá teprve střižná deformace materiálu prostředí. Střižná deformace je možná pouze u pevného materiálu, proto se v kapalném prostředí nešíří.
Když P vlnyP vlny – primární seismické vlny, které se šíří vlastním tělesem planety. Jedná se o podélné vlny zhuštění a zředění v pevném nebo kapalném prostředí, někdy tento typ vln označujeme jako kompresní vlny. Písmeno P pochází z anglického slova Primary. a vertikálně polarizované S vlnyS vlny – sekundární seismické vlny, které se šíří vlastním tělesem planety. Jedná se o příčné vlny v pevném prostředí. Kapalným prostředím se nešíří. Látka v této vlně vybočuje kolmo na směr šíření, a vytváří tak charakteristické zvlnění. Písmeno S pochází z anglického slova Secondary. dorazí k povrchu země, musí se přizpůsobit jejímu tvaru a vyvolají povrchovou vlnu. Tato vlna se nazývá RayleighovaRayleighovy vlny – seismické vlny, které se šíří v kůře planety po jejím povrchu. Podobají se vlnění na vodě. Jedná se o složeninu příčného a podélného vlnění. Body vykonávají krouživé pohyby. Vlny byly pojmenovány podle anglického matematika a fyzika Johna Williama Strutta, třetího barona Rayleigho. , je spojena s malými kontrakcemi materiálu a šíří se po povrchu země. Pod povrchem však může dojít k něčemu podobnému, pokud jsou tam přítomny vrstvy různého složení. Horizontálně polarizované S vlny pak vybudí tzv. Loveovu vlnuLoveho vlny – seismické vlny, které se šíří v kůře planety po jejím povrchu. Jedná se o příčné vlnění. Jde o typické střižné vlny, které byly pojmenováno podle anglického matematika Augusta Edwarda Hougha Loveho.. Podpovrchové vlny se sice šíří rychleji než povrchové, ale nedosahují tak velké amplitudy. To je dáno především koncentrací povrchových vln právě u povrchu Země.
Kromě povrchových a objemových vln se může planeta chvět i vlastními módy. Dochází k diskrétním oscilacím s amplitudami vázanými na jednu lokalitu. Jejich periody se typicky pohybují v řádu desítek minut. Na rozdíl od jiných vln, které odezní nejpozději do několika minut, dostatečně silné oscilace na vlastních módech jsme schopni zachytit i po měsíci.
Co všechno se třese
Umístění seismometru na Měsíci při misi Apollo 11. Zdroj: NASA.
Je zřejmé, že způsob šíření objemových i povrchových vln je závislý na prostředí, kterým se šíří. Z různých poruch signálu zachycených seismografy pak můžeme zpětně usuzovat na nehomogenity pod povrchem země. Není důvod očekávat něco jiného na jiných nebeských tělesech. Proto každá z misí ApolloApollo – americký program pilotovaných vesmírných letů probíhající v letech 1961 až 1972 a současně název kosmické lodi, která dopravila člověka na Měsíc. Vyvrcholením bylo přistání člověka na Měsíci (Apollo 11, Neil Armstrong, 20. 7. 1969). K cestě na Měsíc byla používána dosud největší nosná raketa Saturn V. Astronauté posledních misí využívali k pohybu po povrchu Měsíce speciální motorové vozítko. umístila na povrch MěsíceMěsíc – přirozený satelit Země, rotuje tzv. vázanou rotací (doba oběhu a rotace je shodná). Díky tomu stále vidíme přibližně jen přivrácenou polokouli Měsíce. Měsíc je prvním cizím tělesem, na kterém stanul člověk (Neil Armstrong, 1969, Apollo 11). Voda na Měsíci byla objevena v stinných částech kráterů a pod povrchem (Lunar Prospektor, 1998). Povrch Měsíce je pokryt regolitem (drobná drť s vysokým obsahem skla). Malé pevné jádro je obklopené plastickou vrstvou (v hloubce 1 000 km pod povrchem). Velké množství kráterů má rozměry od milimetrů po stovky kilometrů. Několik z nich je pojmenováno i po českých osobnostech (například kráter Anděl). zařízení ALSEP s několika seismometry.
Zařízení ALSEP nás přesvědčilo, že sledování seismických vln je velice účinná metoda poznávání nitra nejen na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Ačkoli je Měsíc z pohledu geologa prakticky mrtvý, k otřesům tu dochází. Jednak k sporadickým, po dopadu meteorituMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch. (desítky až stovky týdně), jednak k periodickým, spojeným se slapovými silamiSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. vyvolanými oběhem kolem Země. A tak jsme do roku 1977, kdy byl experiment ukončen, dokázali o nitru Měsíce zjistit prakticky všechny informace, které se můžeme v učebnicích dočíst.
Třást se může nejen pevné těleso. V druhé polovině minulého století vznikla nová vědní disciplína – helioseismologie. Chvění povrchu se určuje z rozdílového spektra červeného a modrého obrazu SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Slunce se chvěje na deseti milionech vlastních frekvencí a chvěje se neustále, takže máme neustálý přísun informací o jeho nitru. Dnes je metodika natolik propracována, že pomocí seismických vln již 20 let rutinně sledujeme vývoj slunečních skvrn a vůbec stav povrchu na odvrácené straně Slunce.
To jsou jen příklady využití seismických vln ve vesmíru. Samostatnou kapitolu představuje asteroseismologieAstroseismologie – odvětví astronomie zkoumající vnitřní strukturu hvězd na základě analýzy chvění jejich povrchu. Vlnění povrchu lze detekovat fotometrickými metodami nebo rozborem posunů spektrálních čar způsobených přibližováním nebo vzdalováním hvězdného povrchu. zkoumající projevy seismických vln hvězd. Nečekaně se nedávno začalo využívat sledování seismických projevů v prstencích ke zkoumání nitra SaturnuSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm−3 je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou.. Podrobněji viz AB 34/2021.
Jak se třese Mars
Úspěchy měření otřesů Měsíce přiměly konstruktéry marsovských sond VikingViking – dvojice sond NASA vypuštěná k Marsu ve dnech 20. 8. 1975 a 19. 9. 1975. Obě měly orbitální i přistávací modul. Mise byly úspěšné a bez větších problémů trvaly několik let., aby na jejich palubu umístili také seismometry. Tentokrát se však čitelné výsledky nedostavily. Seismometry byly umístěny na palubě sond, a tak podléhaly povětrnostním vlivům. Data přicházela zašuměná poryvy větru a nebylo možné z nich vyseparovat užitečnou hodnotu. Z této chyby se inženýři poučili dokonale.
V prvé řadě byl seismometr SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) po přistání přemístěn z paluby na samostatné místo, aby měl přímý kontakt s povrchem planety. Přístroj je velice nízký, navíc jeho čočkovitý kryt má zanedbatelný aerodynamický odpor, což v konečném důsledku snižuje povětrnostní vlivy na zanedbatelné minimum. Kromě toho je na palubě meteorologická stanice TWINS (Temperature and Winds for InSight) sledující stav počasí v místě měření. Je tu tedy i cesta, jak případné zašumění naměřených otřesů eliminovat.
Test vyložení seismometru pomocí robotického ramene. Zdroj: NASA.
Již první měření ukázala, že MarsMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila. je stále tektonicky aktivní. Žádné otřesy sice nepřesáhly čtvrtý stupeň Richterovy stupnice, nicméně po dvou letech práce přístroje máme dostatek pozorování, abychom dokázali zhruba zmapovat nitro Marsu. Svou roli tu sehrály všechny možné druhy seismických vln, každé z nich přinesly důležité výsledky.
Simon Stähler z cyryšského ETHETH – prestižní švýcarská polytechnika, na které působil mj. Albert Einstein. Zkratka ETH znamená Eidgenössische Technische Hochschule (Spolková vysoká technická škola). Univerzita byla založena v roce 1855, nyní má dvě části: v Curychu (ETHZ) a v Laussane (ETHL). S univerzitou je spojeno 26 nositelů Nobelových cen. se svým týmem analyzoval nejslabší otřesy a dokázal, že se odrážejí od tekutého jádra. Závěry pozorování se poměrně dobře shodují s našimi původními představami, pouze se ukazuje, že tekuté jádro je větší, než se odhadovalo – zabírá asi polovinu průměru planety, teplota se odhaduje na 1 800 °C. Podobně jako u Země je jádro tvořeno železemŽelezo – Ferrum, kovový prvek významně zastoupený na Zemi i ve vesmíru. Má všestranné využití při výrobě slitin pro výrobu většiny základních technických prostředků používaných člověkem. Objev výroby a využití železa byl jedním ze základních momentů vzniku současné civilizace. a niklemNikl – Niccolum, bílý, feromagnetický, kujný a tažný kov. Vyznačuje se vysokou elektrickou vodivostí. Slouží jako součást různých slitin a k povrchové ochraně jiných kovů před korozí. Předměty ze slitin niklu se podařilo nalézt v Číně a jejich stáří je více než 2 000 let. Nikl byl objeven roku 1751 německým chemikem baronem Axelem Frederikem Cronstedtem., ale vzhledem k jeho nízké hustotě tu musí být příměsi lehčích prvků – předpokládá se hlavně síraSíra – Sulphur, je nekovový chemický prvek žluté barvy, hojně zastoupený v přírodě. Tvoří přibližně 0,05 % zemské kůry. Patří do skupiny tzv. chalkogenů. Síra byla známa již v dávnověku, ve starověké Číně sloužila jako jedna ze složek střelného prachu. V chemickém průmyslu se síra používá především pro vulkanizaci kaučuku. Dále je elementární síra základní surovinou pro výrobu kyseliny sírové. Síra je významnou složkou různých prostředků působících proti růstu hub a plísní. Síření sklepů i sudů pro uchovávání vína či piva efektivně brání množení nežádoucích plísní a mikroorganizmů..
Týmy vedené Amirem Khanem z curyšského ETHETH – prestižní švýcarská polytechnika, na které působil mj. Albert Einstein. Zkratka ETH znamená Eidgenössische Technische Hochschule (Spolková vysoká technická škola). Univerzita byla založena v roce 1855, nyní má dvě části: v Curychu (ETHZ) a v Laussane (ETHL). S univerzitou je spojeno 26 nositelů Nobelových cen. a Brigitte Knapmeyer-Endrun z Univerzity v Kolíně nad Rýnem se zaměřily na seismické vlny, které migrovaly pláštěm a kůrou. Došli k překvapivému závěru, že materiál pod povrchem má menší hustotu než vrchní vrstvy. Nejspíš za tím stojí bouřlivá geologická minulost. Za zmínku také stojí vysoká koncentrace radioaktivních prvků, kterých je v kůře 13÷21× více než v plášti. O čem to svědčí, je zatím předmětem výzkumu, ale již teď je jasné, že rozřešení hádanky nás významným způsobem posune v chápání martského vulkanizmu.
Nový přístup
Bezprecedentní přesnost seismometru otevřela ještě další cestu ve studiu planety, tentokrát jejích podpovrchových vrstev. Manuel Hobiger z curyšského ETHETH – prestižní švýcarská polytechnika, na které působil mj. Albert Einstein. Zkratka ETH znamená Eidgenössische Technische Hochschule (Spolková vysoká technická škola). Univerzita byla založena v roce 1855, nyní má dvě části: v Curychu (ETHZ) a v Laussane (ETHL). S univerzitou je spojeno 26 nositelů Nobelových cen. se se svým týmem zaměřil na velice slabé vibrace způsobené nárazy větru na terénní překážky. Takové otřesy se pak šíří jako povrchová vlna. Šíření vlny je samozřejmě silně závislé na druhu materiálu. Po analýze všech dat od počátku měření tak tým získal slušnou představu o geologii okolí sondy.
Svrchní tři metry jsou tvořeny regolitemRegolit – vrstva nezpevněného materiálu, která pokrývá celistvé podloží. Zpravidla jde o drť vzniklou dopadem drobných těles nebo jinou erozivní činností. Vrstvu regolitu najdeme na Měsíci, v některých oblastech na Zemi i na jiných tělesech Sluneční soustavy.. Pod ním pokračuje 15 m silná vrstva větších balvanů. Předpokládá se, že jde o památku po dopadu meteorituMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch.. Následují dvě vrstvy lávy oddělené 45 m mocnou vrstvou sedimentů. Stáří horní vrstvy lávy se odhaduje na 1,7 miliardy let, spodní vrstva, která sahá až do hloubky 150 m, je stará 3,6 miliardy let.
V posledních letech jsme svědky dílčích objevů díky uplatňování nových výpočetních postupů na dříve naměřená data. S nástupem neuronových sítíUmělá neuronová síť – výpočetní struktura pro paralelní zpracování dat využívaná v umělé inteligenci. Jejím vzorem je skutečná neuronová síť v mozku. Umělé neurony mají libovolný počet vstupů a jediný výstup. Jsou propojeny a vzájemně si předávají signály, které jsou matematicky vhodně transformovány. Neuronové sítě se využívají například při zpracování obrazu. dokážeme ne vždy zcela průhledným, nicméně prokazatelně správným způsobem vytěžit z naměřených veličin nečekané informace. Se seismometrem SEIS jsme poprvé získali klíč ke dveřím do martského podsvětí. Lze očekávat, že s pomocí umělé inteligence se s informacemi o nitru Marsu vbrzku protrhne pytel.
Vyložení seismometru SEIS na povrch Marsu, fixace kabelu a montáž
aerodynamického krytu. Zdroj: YT/NASA.
Odkazy
- Rainer Kayser: Blick unter die Oberfläche von Mars; Welt der Physik, 23 Nov 2021
- Dirk Eidemüller: Der Mars offenbart sein Inneres; Welt der Physik, 22 Jul 2021
- Aymeric Spiga et al.: Atmospheric science with InSight; LMD, Sorbonne Université, 28 Feb 2018
- Apollo 11 seismic Experiment; NASA Science, 22 Sep 2017
- Michal Švanda: Helioseismologie: od oscilací k vnitřní struktuře; Konference v Úpici, 20. května 2008
