如果把火星地震“挪到”地球上,会有怎样的震感?

如果把火星地震“挪到”地球上,会有怎样的震感?

这幅艺术概念图对火星地震波进行了模拟:当地震波穿过火星不同的内部壳层时,它会是什么样子。
图片来源:NASA、JPL-加州理工学院、苏黎世联邦理工学院、马丁•范德里埃尔(Martin Van Driel)

在最近的一系列地震发生后,整个南加州的居民都感受到了地动山摇。但是,在我们的太阳系之中,地球并不是唯一会经历地震的星球:月球和火星都会发生地震。50年前,在阿波罗11号(Apollo 11)任务期间,美国航空航天局(NASA)在月球上部署了第一台地震仪;而就在去年年末,NASA的洞察号火星探测器(Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport,InSight)则给火星带去了第一台地震仪,它被称为内部结构地震测量仪(Seismic Experiment for Interior Structure,SEIS)。

4个月前,法国国家空间研究中心(Centre National d’Études Spatiales,CNES)宣布洞察号首次在火星上检测到了微弱的地震信号,明显的“火震”(Marsquake)信号发生在4月6日。SEIS地震仪由CNES提供,洞察号火星任务的“火震”服务(Marsquake Service)由瑞士研究型大学苏黎世联邦理工学院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich,ETH Zurich)主导,负责监测SEIS的数据。

阿波罗11号的宇航员在月球表面部署了第一台地震计的五十年后,NASA的洞察号向地球传回的火星地震实验数据为研究人员提供了非常难得的机会,让他们能将月球和地球上的地震与“火震”进行比较。位于瑞士苏黎世联邦理工学院的“火震”服务(Marsquake Service,MQS)中心负责监测火星上的日常地震活动,大约每天两次,就会有由10名地震学家组成的国际团队对火星的地震数据进行表征和分析。

地震波穿过的材料不同,地震的表象和震感就会不同。穿过地球内部的地震波能持续十多秒到几分钟的时间,而在月球上,地震可以持续一个多小时甚至更长的时间。地震波的信号范围与探测距离以及地质结构密切相关,在一个新的视频中,利用阿波罗时代在月球上留下的地震仪所记载的数据、SEIS在火星上监测到的首批地震的头两次,以及在我们的地球上记录到的地震数据,苏黎世联邦理工学院的科学家将地震波的不同表现进行了可视化证明。

在地震模拟器,也就是“摇动室”(shake room)中,科学家运行了来自不同星球世界的这些数据,他们可以亲身体验到这些地震的不同之处。火星上的微震(tremor)平静而遥远,SEIS上的地震计非常灵敏,能够迅速感知到这些微弱的信号,但它们却很难被人体感受到,为了让震感与同样放大后的“月震”(moonquake)以及未经放大的地震处于相似的人体感受程度,研究人员不得不将“火震”信号放大了1000万倍。

“我们目前正在观察火星上的两波地震,”西蒙•施特勒尔(Simon Stähler)博士说道,“第一波地震是一场高频事件,比我们想象中的更像‘月震’。第二波地震的频率则要低得多,我们认为这可能是距离不同的原因:较低频率的地震可能发生在离地震计更远的地方。与地球上地震的持续时间相比,这两次火星地震的持续时间都更长。”

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约翰•克林顿、西蒙•施特勒尔、马丁•范德里埃尔(Martin Van Driel)和马伦•伯泽(Maren Böse)在地震模拟器中展示了“火震”与地震和“月震”的不同之处。
视频来源:苏黎世联邦理工学院

如果比较地球和月球的表面,你可能会惊讶地发现:地球的地壳比月球的地壳更为均匀。因为几十亿年以来,不计其数的陨石撞击破坏了月球壳层,而月球上没有任何演化过程能将岩石“烧结”成一个整体;相比之下,地球上的火山活动、地热升温、板块构造,以及水和风的侵蚀会将岩石碎片融合在一起,共同形成一个相对完整的层状地壳,这些过程能让陨石撞击的痕迹迅速消失。

“异质的月球外壳会散射地震波,就像人们在崎岖的山地地形中大声呼唤时可能会听到回声一样,”苏黎世联邦理工学院MQS中心的负责人约翰•克林顿(John Clinton)博士解释说。相比之下,地球的地壳和地幔对地震波来说如同透明,就像广阔无阻的空间之于声波。地球上的地震传感器能够干净利索地“听到”地震信号;但在月球上,地震探测仪会检测到多余的“回声”信号,它们会使“月震”信号失真,甚至很难确定信号的起始位置。

虽然地震研究在火星上仍然处于起步阶段,但是“火震”的形态似乎就介于“月震”和地震之间。研究人员已然探测到了火星上的第一个地震信号,但随后的“火震”信号伴随着比他们预期中更多的回波信号。火星上地震信号的持续时间可以达到大约10到20分钟;科学家还不清楚火星地壳的裂缝部分是否就像月球上的一样,只有几千米的深度,又或者比月球上的更浅。

关于洞察者号

洞察者号火星探测器由喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory,JPL)为NASA的科学任务理事会(Science Mission Directorate)负责管理。洞察者号是NASA发现计划(Discovery Program)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(Marshall Space Flight Center)负责管理。洞察者号探测器由位于丹佛的洛克希德•马丁太空公司(Lockheed Martin Space)制造,包括探测器的巡航段(cruise stage)和着陆器(lander),该公司还为飞行任务提供了支持。

包括法国国家空间中心(CNES)和德国航空航天中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,DLR)在内的许多欧洲合作伙伴正在为洞察者号火星任务提供支持。CNES向NASA提供了内部结构地震测量仪(SEIS),主要研究人员来自巴黎地球物理学院(Institut de Physique du Globe de Paris,IPGP)。对SEIS的重大贡献来自IPGP、德国马克斯普朗克太阳系研究所(Max Planck Institute for Solar System Research,MPS)、瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology,即苏黎世联邦理工学院,ETH Zurich)、伦敦帝国理工学院(Imperial College London),以及英国牛津大学(Oxford University)和JPL。DLR提供了热流和物理特性探测仪(Heat Flow and Physical Properties Package,HP3),波兰科学院(Polish Academy of Sciences)的空间研究中心(Space Research Center,CBK)和波兰的Astronika公司则为此作出了重要的贡献。温度和风力传感器由西班牙天体生物学中心(Centro de Astrobiología,CAB)提供。

参考:
[1]https://www.nasa.gov/feature/jpl/what-does-a-marsquake-look-like
[2] https://phys.org/news/2019-07-marsquakes.html

1 条回复

  1. wen qiu说道:

    溶岩的活动是相似地球的,外来的浮星压力是不一定的。

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