Mars södra mantel är 200–400 °C varmare än den norra

Mars har länge beskrivits som en planet med två ansikten: det högt belägna, kraftigt kraterade sydliga höglandet står i skarp kontrast till de lägre och yngre slätterna i norr. Nu tyder en ny studie i Nature på att skillnaden inte bara syns på ytan. Manteln under södra Mars uppskattas vara 200–400 °C varmare än manteln under den norra delen – och det varmare materialet verkar vara mjukare och åtminstone delvis smält. 310

Resultatet ger en ny bild av Mars så kallade skorpdikotomi, den tydliga gränsen mellan planetens södra högland och norra lågland. Samtidigt återstår den stora frågan: vad skapade denna långlivade temperaturskillnad i planetens inre?

En varm och svagare mantel i söder

Forskarna drar slutsatsen att det södra höglandet ligger ovanpå en varmare mantel med lägre viskositet än manteln under de nordliga slätterna. Varm mantelsten deformeras lättare än kall och stel berggrund. Studien är också förenlig med att delar av manteln under det södra halvklotet är delvis smälta. 310

Det är betydelsefullt eftersom den synliga nord–syd-skillnaden redan är en av Mars största geologiska strukturer. Söder är högre och betydligt mer kraterbevuxet, medan de norra slätterna ligger lägre och länge har föreslagits som platsen för ett forntida hav. Geologiska modeller brukar dessutom koppla söder till en tjockare skorpa än norr. 31

Den nya studien antyder därför att Mars tudelade utseende kan spegla en asymmetri i planetens inre – inte bara skillnader i höjd, ålder och skorpans tjocklek.

Så avslöjades värmeskillnaden

Forskarna bearbetade 16 års noggranna radiomätningar från tre NASA-sonder: Mars Global Surveyor, Mars Odyssey och Mars Reconnaissance Orbiter. Genom att följa hur Mars gravitation påverkar rymdfarkoster kan forskare skapa detaljerade gravitationskartor. Materialet innehåller också information om bland annat tidvatten, skorpans tjocklek och förändringar i systemet Mars–rymdfarkost. 2

Den centrala signalen kommer från den lilla deformation som solen orsakar i Mars. När planeten rör sig i sin bana förändras denna tidvattenrespons. I stället för att behandla Mars som om hela planeten reagerade likadant använde forskarna tidvattenstomografi för att undersöka hur responsen varierar mellan olika områden. 812

Mantelns temperatur och fysiska tillstånd påverkar dess styvhet, viskositet och förmåga att dämpa tidvattensenergi. Genom modeller av hur Mars tidsvarierande gravitationsfält skiljer sig geografiskt kunde forskarna därför dra slutsatsen att manteln under söder är varmare och mekaniskt svagare än den under norr. Den beräknade temperaturskillnaden ligger på omkring 200–400 °C. 3

Det handlar dock om en indirekt mätning. Rymdsonderna har inte mätt mantelns temperatur med en termometer. De har registrerat gravitation och tidvattenbeteende, som sedan har tolkats med hjälp av fysikaliska modeller.

Vad kan den heta manteln säga om Mars historia?

Kan den förklara magnetiska anomalier?

De starkaste bevarade magnetiska anomalierna på Mars finns huvudsakligen i det gamla södra höglandet. Signalerna är rester av magnetisering som bergarter fick när Mars fortfarande hade ett globalt magnetfält. 3037

En varmare inre del i söder kan ha påverkat tidig smältning, vulkanism och bildandet eller omvandlingen av den skorpa som senare bevarade magnetiska spår. Det är en möjlig koppling – inte ett bevis för att den nyupptäckta värmeanomalin ensam skapade magnetfältet eller all magnetism i skorpan.

Värme, vatten och hydrotermal aktivitet

Intern värme kan driva vulkanism och hydrotermala system, där varmt vatten cirkulerar genom sprickor i berggrunden. Tidigare forskning har kopplat delar av södra höglandets magnetism till dalnätverk och möjliga hydrotermala utsläpp ovanför intrusioner i skorpan. 26

Den nya temperaturmätningen ger forskare ytterligare en inre förutsättning att jämföra med modeller av Mars forntida vattenkretslopp. Om värmen fanns kvar under lång tid kan den ha bidragit till lokala grundvattenflöden eller vattenförande miljöer under marken.

Det kan vara relevant för frågan om Mars tidigare beboelighet, men fyndet visar inte att en viss bassäng innehöll liv eller förblev vattenfylld under en bestämd tidsperiod.

Nya begränsningar för teorier om tektonik

Värmeanomalin ger också nya villkor för modeller av Mars tidiga utveckling. Forskare har diskuterat om planeten kan ha haft lokal mantelkonvektion, återvinning av litosfären eller begränsad aktivitet som påminde om plattektonik.

Linjära magnetiska strukturer har ibland anförts som möjliga tecken på tidig plattektonik, men tolkningen är omstridd. En NASA-analys bedömde att bevisen inte gav starkt stöd för plattektonik av jordlik typ. 27

Studien visar alltså inte att Mars hade moderna tektoniska plattor. Däremot måste modeller av planetens tidiga inre nu kunna förklara en betydande temperaturskillnad mellan norra och södra halvklotet.

Vad skapade den heta södra manteln?

Observationen identifierar en asymmetri, men inte dess ursprung. Flera förklaringar är fortfarande möjliga:

• En forntida jättelik kollision: Ett mycket stort nedslag tidigt i Mars historia kan ha omfördelat material i skorpa och mantel, skapat dikotomin och lämnat kvar ett termiskt arv.
• Långvarig konvektion i söder: En uppåtgående ström eller mantelplym kan ha transporterat värme mot det södra halvklotet.
• Värme som kapslats in under tjocka strukturer: Tjockare sydlig skorpa eller litosfär kan ha fungerat som isolering och bromsat avkylningen av manteln.

Det finns ännu inte tillräckligt med bevis för att avgöra vilken mekanism som är riktig. Den säkraste slutsatsen är mer avgränsad: Mars ytdikotomi har en djup termisk motsvarighet, och manteln under söder bedöms i dag vara betydligt varmare och svagare än manteln under norr. Framtida gravitationsmätningar, seismiska data och geologiska modeller behövs för att avgöra om skillnaden är ett arv från planetens tidigaste historia eller ett tecken på en mer långlivad aktivitet i dess inre.