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美国宇航局的洞察力揭示了火星的深层内部

深空探测 | 感谢尤米说科技投递 2021-07-24 297

云层飘过火星上被称为 SEIS 的圆顶覆盖的地震仪,属于 NASA 的 InSight 着陆器。

今天发表的三篇论文分享了关于这颗红色星球的地壳、地幔和熔核的新细节。

在 NASA 的洞察号航天器于 2018 年着陆火星之前,研究这颗红色星球的漫游车和轨道飞行器都集中在其表面。固定着陆器的地震仪改变了这一点,首次揭示了行星内部深处的细节。

基于地震仪数据的三篇论文今天发表在《科学》杂志上,提供了有关火星地壳、地幔和地核的深度和组成的详细信息,包括确认该行星的中心是熔融的。地球的外核是熔融的,而内核是固体;科学家们将继续使用洞察号的数据来确定火星是否也是如此。

“当我们十多年前第一次开始整理任务的概念时,这些论文中的信息正是我们希望最终得到的信息,”洞察号的首席研究员、位于南加州的 NASA 喷气推进实验室的布鲁斯·班纳特 (Bruce Banerdt) 说。带领使命。“这代表了过去十年所有工作和担忧的高潮。”

InSight 的地震仪,称为内部结构地震实验 ( SEIS ),已记录了 733 次不同的地震。其中大约 35 个——都在 3.0 到 4.0 级之间——提供了三篇论文的数据。超灵敏地震仪使科学家能够“听到”数百到数千英里外的地震事件。

美国宇航局的洞察号着陆器在 2019 年 7 月 25 日,也就是其任务的第 235 个火星日或 sol 时,探测到了一次地震,这里用地震图表示。地震学家研究地震图中的摆动,以确认他们是否真的看到了地震或风引起的噪音。

凝视火星

地震波穿过行星内部的不同物质时,其速度和形状各不相同。火星上的这些变化为地震学家提供了一种研究行星内部结构的方法。反过来,科学家们对火星的了解有助于加深对包括地球在内的所有岩石行星如何形成的理解。

与地球一样,火星在由围绕太阳运行的尘埃和较大的陨石物质块形成时升温,这些物质有助于塑造我们早期的太阳系。在最初的几千万年里,这颗行星在一个称为分化的过程中分成了三个不同的层——地壳、地幔和地核。InSight 的部分任务是测量这三层的深度、大小和结构。

Science 中的每篇论文都关注不同的层次。科学家们发现地壳比预期的要薄,可能有两个甚至三个子层。如果有两个子层,它的深度可达 12 英里(20 公里),如果有三个,则可达 23 英里(37 公里)。

在它下面是地幔,它在地表以下延伸 969 英里(1,560 公里)。

火星的核心是核心,其半径为 1,137 英里(1,830 公里)。确认熔融核心的大小对团队来说尤其令人兴奋。“这项研究是千载难逢的机会,”核心论文的第一作者、瑞士研究型大学苏黎世联邦理工学院的 Simon Stähler 说。“科学家花了数百年的时间来测量地球的核心;在阿波罗任务之后,他们花了 40 年的时间来测量月球的核心。InSight 只用了两年时间就测量了火星的核心。”

寻找摆动

大多数人感觉到的地震来自构造板块移动引起的断层。与地球不同,火星没有构造板块。它的地壳反而像一个巨大的板块。但是,由于火星继续冷却时轻微收缩引起的应力,断层或岩石断裂仍会在火星地壳中形成。

InSight 科学家花费大量时间在地震图中寻找振动的爆发,其中一条线上最微小的摆动可以代表地震,或者就此而言,风产生的噪音。如果地震图摆动遵循某些已知模式(并且如果风不是同时阵风),则它们有可能是地震。

最初的摆动是初级或 P 波,其次是次级或 S 波。这些波在经过行星内部的层反射后,也可能在稍后的地震图中再次出现。

“我们正在寻找的是回声,”地幔论文的第一作者、苏黎世联邦理工学院的阿米尔汗说。“我们正在探测直接的声音——地震——然后聆听地下深处反射器的回声。”

这些回波甚至可以帮助科学家找到单个层内的变化,比如地壳内的子层。

“地壳内的分层是我们在地球上一直看到的东西,”科隆大学的 Brigitte Knapmeyer-Endrun 说,他是关于地壳的论文的第一作者。“地震图的摆动可以揭示诸如孔隙度变化或断裂层更多的特性。”

令人惊讶的是,洞察号所有最重要的地震似乎都来自一个地区,即塞伯鲁斯窝,该地区火山活跃,熔岩可能在过去几百万年内流过那里。轨道航天器发现了巨石的轨迹,这些巨石可能在被地震震松后滚下陡坡。

奇怪的是,没有在更突出的火山区检测到地震,比如塔尔西斯,火星上最大的三座火山的所在地。但是,InSight 无法检测到的许多地震(包括更大的地震)可能正在发生。这是因为核心将地震波折射到远离某些区域的阴影区,从而阻止了地震的回声到达 InSight。

等待大佬

这些结果仅仅是开始。科学家们现在有了硬数据来完善他们的火星模型及其形成,而 SEIS 每天都会检测到新的火星地震。虽然 InSight 的能量水平得到管理,但它的地震仪仍在监听,科学家们希望他们能检测到大于 4.0 的地震。

“我们仍然希望看到大的,”喷气推进实验室的马克潘宁说,他是关于地壳的论文的共同主要作者。“我们必须进行大量仔细的处理,才能从这些数据中提取出我们想要的东西。举办更大的活动会让这一切变得更容易。”

Panning 和其他 InSight 科学家将于 7 月 23 日太平洋时间上午 9 点(美国东部时间下午 12 点)在美国宇航局电视、美国宇航局应用程序、该机构的网站以及多个机构社交媒体平台(包括 JPL YouTube和Facebook)上进行讨论,分享他们的发现渠道。

更多关于使命

JPL 为 NASA 的科学任务理事会管理洞察力。InSight 是 NASA 探索计划的一部分,由该机构位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心管理。丹佛的洛克希德马丁航天公司建造了洞察号航天器,包括其巡航级和着陆器,并支持航天器执行任务。

包括法国国家空间研究中心 (CNES) 和德国航空航天中心 (DLR) 在内的许多欧洲合作伙伴正在支持洞察号任务。CNES 与 IPGP(巴黎地球物理研究所)的首席研究员一起向 NASA 提供了内部结构地震实验 (SEIS) 仪器。对 SEIS 的重大贡献来自 IPGP;德国马克斯普朗克太阳系研究所(MPS);瑞士联邦理工学院(ETH Zurich);伦敦帝国理工学院和英国牛津大学;和喷气推进实验室。DLR 提供了热流和物理特性包 ( HP 3) 仪器,波兰科学院空间研究中心 (CBK) 和波兰的 Astronika 做出了重大贡献。西班牙的 Centro de Astrobiología (CAB) 提供了温度和风传感器。


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