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本文来自微信公众号:石头科普工作室 (ID:Dr__Stone),作者:行雨,原文标题:《陨石撞击到火星表面,研究火星内部的科学家却忙起来了》,题图来自:《火星救援》


NASA的“洞察号”(Insight)着陆器在2018年5月5日发射,并于2018年11月26日成功登陆火星,它在火星执行人类首次探究火星“内心深处”的秘密,也就是研究火星内部结构。


作为本次项目最关键的一部分工作,就是需要将一台非常灵敏的地震仪——The SEIS(Seismic Experiment for Interior Structure)放置于火星表面,这也是人类第一次探测其他行星的地震动。


火星地震仪(来源:NASA中文网)


2019年3月18日,“洞察号”终于完成了火震仪的安放工作,并于几周后监测到了火星微震。引起这次火星微震的原因是火星上的风,自然噪声能够引起在火星地表传播的瑞雷面波,这次微震主要就是低频面波。在后续的观测周期中,火震仪已经观测到超过1313次的火震,对于理解火星内部结构和火星地震动的活跃性起到了很大的帮助。就目前的研究来看,火星的内部结构已经给到了明显的证据进行约束。


“洞察号”迄今探测到的最大火震,震级为5级(来源:NASA/JPL-Caltech)


对于地球我们已经很熟悉了,学过高中地理的也应该都清楚地球内部的结构,地壳、地幔、地核,还有莫霍面、古登堡面等等分界面。而这些结构的最初发现和探明也是得益于地震的研究。因此,在地震这个自然灾害面前,人类从另外一方面进行了深入的研究。结合地球的地震研究,那么自然而然火星的火震研究也能够为我们提供更多的火星内部结构的信息。


在最新的一篇GRL论文中,Durán等人分析了一次距离“洞察号”第二远的也是较大的一次火震事件(S1000a)这次火震事件主要是由于远端的陨石撞击,矩震级在4.1左右。为什么要单独分析这一次事件呢?这是由于距离(震中距)是目前事件中较远的,因此地震波能够在火星内部更深的地方传播,以此获得更多的火星内部信息。


这是研究人员首次在火震中观测到P-diff(hereinafter labeled Pdiff),也叫核衍射波,是直接沿着核幔边界传播,然后直达地震仪的一种震相。这个火震信号是宽频带的信号(从10s到5Hz),它的频率变化范围可以从下图的A子图中看出,A图是采用连续小波变换计算的功率谱密度图。能够看出很明显的一个频率域的反映。在进行震相识别中,作者主要识别了P-diff,PP和SS三种震相,以便进行后续的研究工作。


S1000a事件的PSD和振幅特征以及震相识别位置(Durán等人,2022)

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震相,简单解释就是地震波的不同表现特征。由于地震波在地下传播路径的复杂性,其在不同传播路径中的最终地震波形也大相径庭。因此可以用震相来识别不同的传播路径以及其相应的特征。


PP波是地震P波进过一次反射后被地震仪所记录的到震相,SS波是地震S波经过一次反射后被地震仪所记录到的震相,而本文所讨论的P-diff波就是直接在核幔边界传播,并被地震仪所记录到的震相。


所以P-diff波最快到达,后续才是PP和SS波,也正是由于传播路径不同,其振幅也相差很大,P-diff波的振幅整体偏小,相差1个数量级。下图就是三种震相的示意图。


三种震相传播示意图(来源:AGU)


通过相应的反演方法,根据火星的地下地震波传播速度结构,结合相应的岩石物理等信息,作者成功定位出此次地震源的位置,这与陨石撞击有了更高的联系。因此,这个事件也就是一次陨石撞击事件。下图中的S1000a就是陨石撞击事件的位置。


通过分析P-diff的路径,我们可以明显看到其穿过了整个火幔,因此这条路径上的火幔的纵横波速度梯度(一维的)也能被很好地刻画。通过这次撞击事件便能有效地获得地幔速度梯度,为火星内部研究提供更多更有效的信息。


S1000a的位置(Durán等人,2022)


我们为什么要研究火星内部结构呢?有人说,这有什么用呢?目前来看是没什么用,但是好奇心是会驱使人类进步的。就像一句被说烂了的话:人们为什么登山,因为山就在那里。对于火星的研究也能让我们更好的认识地球,认识太阳系,加深对于我们家园的理解。


参考文献:Durán, C., Khan, A., Ceylan, S., Charalambous, C., Kim, D., Drilleau, M., et al. (2022). Observation of a core-diffracted P-wave from a farside impact with implications for the lower-mantle structure of Mars. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL100887. https://doi. org/10.1029/2022GL100887


本文来自微信公众号:石头科普工作室 (ID:Dr__Stone),作者:行雨

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