云层漂浮在火星上属于NASA洞察号的圆顶地震仪上,被称为SEIS,。
图片来源:NASA/JPL-Caltech

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察号星无人着陆探测器于2018年在火星上着陆之前,研究这颗红色星球的火星车轨道器集中在其表面。固定于探测器的地震仪改变了这一点,首次揭示了该星球内部深处的细节。

基于火震仪数据的三篇论文今天发表在《科学》杂志上,提供了火星地壳、地幔和地核的深度和组成的细节,包括确认火星的中心是熔融状态。地球的外核是熔融状态,而它的内核是固体;科学家们将继续使用洞察号的数据来确定火星是否也存在同样的情况。

“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,”领导着这项任务的洞察号首席研究员、位于南加州的 NASA 喷气推进实验室的布鲁斯·班纳特 (Bruce Banerdt) 说。“这代表了过去十年来所有工作和担忧的顶峰。”

洞察号的火震仪,称为内部结构地震实验(SEIS),已经记录了733次不同的火震。其中约35个——都在3.0级和4.0级之间——为这三篇论文提供了数据。这种超灵敏的地震仪使科学家能够“听到”数百到数千英里外的火震事件。

NASA的洞察号探测器在2019年7月25日,即其任务的第235个火星日,探测到了火震,这里以火震图表示。地震学家研究火震图中的摆动,以确定他们是否真的看到了火震或由风引起的噪音。
图片来源:NASA/JPL-Caltech

窥视火星

当火震波在一个星球内部的不同材料中传播时,其速度和形状都有所不同。火星上的这些变化为地震学家提供了一种研究该星球内部结构的方法。反过来,科学家对火星的了解可以帮助人们更好地理解包括地球在内的所有岩石行星是如何形成的。

和地球一样,火星是由围绕太阳运行的尘埃和更大的陨石团形成的,这些陨石团帮助形成了我们早期的太阳系。在最初的数千万年里,地球分成了三个不同的层——地壳、地幔和地核——这一过程被称为分化。洞察号的部分任务是测量这三层的深度、大小和结构。

《科学》杂志上的每一篇论文都侧重于不同的层面。科学家们发现火星的地壳比预期的要薄,可能有两个甚至三个亚层。如果有两个亚层,它可深达12英里(20公里),如果有三个亚层,它可深达23英里(37公里)。

在这之下是地幔,它延伸到地表以下969英里(1,560公里)。

火星的中心是核心,它的半径为1137英里(1830公里)。确认熔融核心的大小对研究小组来说特别令人兴奋。“这项研究是一生难得的机会,”核心论文的主要作者、瑞士苏黎世联邦理工学院的西蒙·斯塔勒 (Simon Stähler)说。“科学家们花了数百年的时间来测量地核;在阿波罗任务之后,他们花了40年时间来测量月球的核心。洞察号只用了两年时间就测量了火星的核心。”

寻找火震的踪迹

大多数人感觉到的火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。

洞察号的科学家花了大量时间在火震图中寻找振动的爆发,火震图上最细微的摆动可能代表火震,也可以代表风产生的噪音。如果火震记录的摆动遵循某些已知的模式(并且如果风没有同时刮起),就有可能是一场火震。

最初的火震是主波,或P波,随后是次波,或S波。这些波在火星内部的岩层反射后,也会在稍后的火震记录中再次出现。

“我们正在寻找的是一种回声,”苏黎世联邦理工学院的阿米尔·汗(Amir Khan)说,他是这篇关于地幔的论文的第一作者。“我们正在探测直接的声音——火震——然后通过地下深处的反射器监听回声。

这些回声甚至可以帮助科学家找到单一层内的变化,如地壳内的亚层。

“地壳内部的亚层是我们在地球上一直能看到的东西,”科隆大学的布里吉特·纳普迈耶-恩德伦(Brigitte Knapmeyer-Endrun)说,她是这篇关于地壳的论文的主要作者。“火震图的摆动可以揭示孔隙度的变化或或断裂层更多的特性。”

令人惊讶的是,洞察号所有最重要的火震似乎都来自一个地区,即Cerberus Fossae,这个地区的火山活动非常活跃,以至于在过去的几百万年里,岩浆可能曾在那里流动过。轨道飞行器发现了岩石的轨迹,这些岩石可能是被火震震松后从陡峭的斜坡上滚下来的。

奇怪的是,在更著名的火地区,比如塔尔西斯,火星上最大的三座火山的所在地,还没有探测到火震。但有可能很多火震——包括更大的火震——正在发生,而洞察号无法探测到。这是因为火星核心产生的阴影区将火震波折射出某些区域,阻止了火震的回声到达洞察号。

等待大事件的发生

这些结果仅仅是个开始。科学家们现在有了硬数据来完善他们的火星及其形成模型,SEIS每天都探测到新的火震。尽管洞察号的能量平正在被管理,但它的地震仪仍在监听,科学家们希望他们能探测到4.0以上的火震。

“我们仍然希望看到大火震,”JPL的马克·潘宁(Mark Panning)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,从这些数据中提取我们想要的东西。有一个更大的事件将使这一切变得更容易。”

潘宁和其他洞察号科学家将于太平洋时间7月23日上午9点(美国东部时间下午12点)在NASA电视台、NASA应用程序、NASA网站和多个机构的社交媒体平台(包括JPL的YouTube和Facebook频道)上进行现场直播讨论,分享他们的发现。

关于该任务的更多信息

喷气推进实验室为NASA科学任务局管理洞察号。洞察号是NASA发现计划的一部分,由NASA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火星无人着陆探测器,包括它的巡航级和着陆器,并支持航天器的任务操作。

一些欧洲合作伙伴,包括法国国家空间研究中心(CNES)和德国航空航天中心(DLR),正在支持洞察号任务。法国国家空间研究中心向NASA提供了内部结构地震实验(SEIS)仪器,主要研究人员在IPGP(巴黎地球物理研究所)。SEIS的重要贡献来自IPGP、德国的马克斯·普朗克太阳系研究所(MPS)、瑞士的瑞士联邦理工学院(ETH Zurich)、英国的伦敦帝国学院和牛津大学以及JPL。德国航天中心提供了热流和物理特性包(HP3)仪器,波兰科学院空间研究中心(CBK)和波兰的Astronika也做出了重要贡献。西班牙的Centro de Astrobiología(CAB)提供了温度和风力传感器。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-insight-reveals-the-deep-interior-of-mars

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