洞察号任务：揭开火星面纱

Original 天体部落长老天然主义者部落 2023-04-19

收录于合集

#洞察号火星探测器 1 个

#火星内部结构 1 个

#火星生命 5 个

#行星科学 24 个

#火星 7 个

点击上方蓝字，关注公众号后开始阅读。

本文2438字。阅读大约需要9分钟

艺术家对火星内部结构的印象。图片来源：IPGP / David Ducros

洞察号任务：火星揭开面纱

来源法国航天局 2021 年 7 月 22 日

美国宇航局洞察号任务的国际团队利用法国开发的甚宽带 SEIS 地震仪在火星上探测到的大约 12 次地震获得的信息，揭示了火星的内部结构。2021年7月23日发表在科学杂志上的三篇论文涉及来自法国机构和实验室的众多合著者，包括 CNRS、巴黎地球物理研究所和巴黎大学，并特别得到法国航天局 CNES 和法国国家研究机构 ANR 的支持，提供，首次基于对由其内部界面反射和修改的地震波的分析，估计了行星核心的大小、地壳的厚度和地幔的结构。这是对地球以外类地行星内部结构的首次地震勘探，也是了解火星形成和热演化的重要一步。

在美国宇航局的洞察号任务之前，对火星的内部结构仍然知之甚少。模型仅基于轨道卫星收集的数据以及对坠落地球的火星陨石的分析。仅根据重力和地形数据，地壳的厚度估计在 30 至 100 公里之间。行星惯性矩和密度的值表明其核心半径为 1,400 至 2,000 公里。然而，火星的详细内部结构以及地壳、地幔和地核之间的边界深度完全未知。

随着 SEIS 实验于 2019 年初在火星表面成功部署，任务科学家，包括 18 位法国合著者，参与并隶属于众多法国机构和实验室，以及他们来自苏黎世联邦理工学院的同事，科隆大学和帕萨迪纳的喷气推进实验室收集并分析了火星一年（近两个地球年）的地震数据。

需要指出的是，要同时确定一个结构模型、地震的（到达）时间及其距离，通常需要一个以上的台站。然而，在火星上，科学家们只有一个站，洞察力。因此，有必要在地震记录中搜索以各种方式与火星内部结构相互作用的波的特征，并对其进行识别和验证。这些新的测量值，再加上对行星内部结构的矿物学和热学建模，使克服单一站的局限性成为可能。这种方法开创了行星地震学的新时代。

一个站点，多个发现

火星上的另一个困难是其低地震活动和大气产生的地震噪音。在地球上，地震要强得多，而地震仪更有效地位于拱顶或地下，从而可以获得行星内部的准确图像。因此，必须特别注意这些数据。“虽然火星地震的震级相对较低，小于 3.5，但 VBB 传感器的非常高的灵敏度加上黄昏时非常低的噪音使我们能够发现两年前我们认为只有震级大于 4，”巴黎大学教授、IPGP SEIS 仪器首席研究员菲利普·洛格诺内解释说。

每天，由 CNES、IPGP 和 CNRS 处理并传输给科学家的数据都经过仔细清除环境噪声（与快速温度变化相关的风和变形）。国际火星地震服务小组 (MQS) 每天记录地震事件：现已编录了 600 多个地震事件，其中 60 多个是由相对较远的地震引起的。

其中大约有十个包含有关行星深层结构的信息：“地震产生的直接地震波有点像我们在山上的声音：它们产生回声。正是这些回声，从地核反射出来，或者在地壳-地幔界面甚至火星表面，我们在信号中寻找这些信号，这要归功于它们与直接波的相似性，”洛格诺内解释道。

一个改变的地壳，一个地幔显露出来，一个大的液体核心

通过比较地震波在到达洞察力站之前穿过地壳时的行为，确定了地壳中的几个不连续性：第一个在大约 10 公里的深度处观察到，标志着一个高度改变的结构之间的边界，由很久以前的流体循环，而地壳只是略有改变。向下约 20 公里处的第二个不连续性以及约 35 公里处的第三个不那么明显的不连续性揭示了洞察号下方地壳的分层：“为了识别这些不连续性，我们使用了所有最新的分析方法，两者的地震均为构造起源和环境引起的振动（地震噪声），”里昂大学高级讲师兼 LGL-TPE 研究员贝诺伊特陶津说。

在地幔中，科学家们分析了地震期间直接产生的波的传播时间与这些直接波被地表反射时产生的波的传播时间之间的差异。这些差异使得仅使用一个台站就可以确定上地幔的结构，特别是地震速度随深度的变化。然而，这种速度变化与温度有关。“这意味着我们可以估计火星的热流，它可能比地球的热流低三到五倍，并对火星地壳的成分施加限制，据认为，火星地壳中含有超过一半的发热放射性元素。地球，”IPGP 的 CNRS 研究员亨利·塞缪尔补充道。

最后，在第三项研究中，科学家们寻找从火星核心表面反射的波，其半径的测量是洞察号任务的主要成就之一。“为了做到这一点，”ISAE-SUPAERO 的研究工程师梅兰妮·德里尔解释说，“我们根据观察到的相位和信号测试了数千个地幔和地核模型。” 尽管与反射波（称为 ScS 波）相关的信号幅度较低，但观察到半径在 1,790 公里至 1,870 公里之间的岩心能量过剩。如此大的尺寸意味着液体核心中存在轻元素，并对地幔/核心界面处的地幔矿物学产生重大影响。

目标达成，新问题出现

两年多的地震监测已经产生了火星内部结构的第一个模型，一直到地核。因此，火星与地球和月球一起加入了地球行星和卫星的精选俱乐部，这些行星和卫星的深层结构已被地震学家探索过。而且，正如行星探索中经常发生的那样，新的问题出现了：地壳顶部 10 公里的变化是普遍的，还是仅限于洞察号着陆区？这些最初的模型将对火星的形成和热演化理论产生什么影响，尤其是在火星表面存在液态水和火山活动强烈的前 5 亿年？

随着洞察号任务延长两年，以及喷气推进实验室成功清洁太阳能电池板后获得的额外电力，新数据应该会巩固并进一步改进这些模型。

探索

好奇号火星车发现了被抹去的岩石记录，揭示了线索

科学家确定火星地壳厚度