隕石撞擊到火星表面,研究火星內部的科學家卻忙起來了

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NASA的「洞察號」(Insight)著陸器在2018年5月5日發射,並於2018年11月26日成功登陸火星,它在火星執行人類首次探究火星「內心深處」的秘密,也就是研究火星內部結構。作為本次項目最關鍵的一部分工作就是需要將一臺非常靈敏的地震儀- The SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) 放置於火星表面,這也是人類第一次探測其他行星的地震動。

火星地震儀(來源:NASA中文網)

火星地震儀(來源:NASA中文網)

2019年3月18日,「洞察號」終於完成了火震儀的安放工作,並於幾周後監測到了火星微震。引起這次火星微震的原因是火星上的風,自然噪聲能夠引起在火星地表傳播的瑞雷面波,這次微震主要就是低頻面波。在後續的觀測週期中,火震儀已經觀測到超過1313次的火震,對於理解火星內部結構和火星地震動的活躍性起到了很大的幫助。就目前的研究來看,火星的內部結構已經給到了明顯的證據進行約束。

「洞察號」迄今探測到的最大火震,震級為5級

(來源:NASA/JPL-Caltech)

對於地球我們已經很熟悉了,學過高中地理的也應該都清楚地球內部的結構,地殼、地幔、地核,還有莫霍面、古登堡面等等分界面。而這些結構的最初發現和探明也是得益於地震的研究。因此,在地震這個自然災害面前,人類從另外一方面進行了深入的研究。結合地球的地震研究,那麼自然而然火星的火震研究也能夠為我們提供更多的火星內部結構的資訊。

在最新的一篇GRL論文中,Durán等人分析了一次距離「洞察號」第二遠的也是較大的一次火震事件(S1000a)。這次火震事件主要是由於遠端的隕石撞擊,矩震級在4.1左右。為什麼要單獨分析這一次事件呢?這是由於距離(震中距)是目前事件中較遠的,因此地震波能夠在火星內部更深的地方傳播,以此獲得更多的火星內部資訊。

這是研究人員首次在火震中觀測到P-diff(hereinafter labeled Pdiff),也叫核衍射波,是直接沿著核幔邊界傳播,然後直達地震儀的一種震相。這個火震信號是寬頻帶的信號(從10s到5Hz),它的頻率變化範圍可以從下圖的A子圖中看出,A圖是採用連續小波變換計算的功率譜密度圖。能夠看出很明顯的一個頻率域的反映。在進行震相識別中,作者主要識別了P-diff,PP和SS三種震相,以便進行後續的研究工作。

S1000a事件的PSD和振幅特徵以及震相識別位置

(Durán等人,2022)

震相,簡單解釋就是地震波的不同表現特徵。由於地震波在地下傳播路徑的複雜性,其在不同傳播路徑中的最終地震波形也大相徑庭。因此可以用震相來識別不同的傳播路徑以及其相應的特徵。PP波是地震P波進過一次反射後被地震儀所記錄的到震相,SS波是地震S波經過一次反射後被地震儀所記錄到的震相,而本文所討論的P-diff波就是直接在核幔邊界傳播,並被地震儀所記錄到的震相。因此P-diff波最快到達,後續才是PP和SS波,也正是由於傳播路徑不同,其振幅也相差很大,P-diff波的振幅整體偏小,相差1個數量級。下圖就是三種震相的示意圖。

三種震相傳播示意圖(來源:AGU)

三種震相傳播示意圖(來源:AGU)

通過相應的反演方法,根據火星的地下地震波傳播速度結構,結合相應的岩石物理等資訊,作者成功定位出此次地震源的位置,這與隕石撞擊有了更高的聯繫。因此,這個事件也就是一次隕石撞擊事件。下圖中的S1000a就是隕石撞擊事件的位置。通過分析P-diff的路徑,我們可以明顯看到其穿過了整個火幔,因此這條路徑上的火幔的縱橫波速度梯度(一維的)也能被很好地刻畫。通過這次撞擊事件便能有效地獲得地幔速度梯度,為火星內部研究提供更多更有效的資訊。

S1000a的位置(Durán等人,2022)

我們為什麼要研究火星內部結構呢?有人說,這有什麼用呢?目前來看是沒什麼用,但是人類的好奇心是驅使人類進步的。就像一句被說爛了的話:人們為什麼登山,因為山就在那裡。對於火星的研究也能讓我們更好的認識地球,認識太陽系,加深對於我們家園的理解!

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參考文獻: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

對相關技術細節感興趣的朋友們可以直接看原文,原文連結 :

https://doi.org/10.1029/2022GL100887

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