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月球和火星上存在地震吗?我们是如何检测的?

2020-10-20新闻7

窃听像火星和月球这样的外星世界内深处回荡着的颤栗声,这有助于我们揭示了它们表面之下的深处地质活动情况,并可以使我们更多地了解我们自己的星球是如何形成的。

图注:月球上的第一个地震仪带有太阳电池板和指向地球的天线,由阿波罗11号宇航员放置在月球上,并由巴斯德·奥尔德林(Buzz Aldrin)踩脚测试

在地球上,我们可以感觉到并看到构造板块在我们脚下移动的可怕结果。当它们一起研磨时,它们会产生地震,并产生地震波,这些地震波在我们星球深处的岩石、岩浆和金属层中回荡。

科学家可以使用各种仪器来监测这些地震波,这些仪器甚至可以拾取穿过地壳和核心的微弱振动。研究这些波的行为如何在它们穿过我们的行星内部时发生变化,从而揭示出地球深处的东西的细节,这些东西远在我们的视线之外。

但是地球并不是我们太阳系中唯一存在地震活动的地方。火星和月球都经历了地震——尽管其原因与地球上的原因不同。地震仪部署在月球上,以及最近在火星上,使研究人员能够探究这两个遥远世界的内部。

结果表明,虽然在地球表面上、火星和月球并不相同,但在其下方它们的共同点比人们想象的要多,但存在一些惊人的差异。

月球地震

月球地震——在月球上众所周知——是由于流星体撞击表面或地球引力拉动并拉伸月球内部而产生的,这与月球对地球海洋的潮汐拉动类似。 当月球内部变冷时,它还会使月球像葡萄干一样收缩和萎缩,并在地壳弯曲和破裂时引起其他地震。由于月亮从夜晚升起时月球壳中的温度差异,来自太阳的热量也会产生热震。

在1969年至1972年的阿波罗飞行任务期间,宇航员在月球上部署了五个地震仪。月球地震仪由尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林在阿波罗11号任务中建立。部署仪器后,奥尔德林(Aldrin)踩在月球表面以检查其是否工作正常——仪器会拾取脚产生的波浪。

其他四台地震仪由随后的任务遗留下来,并且一直运行到1977年,即最后的阿波罗宇航员踏上月球表面五年之后。 但是大约43年后,科学家们仍在仔细研究他们的数据。

SeisMo是重新分析数据的一个项目。“我们正在尝试应用一种在地球上非常普遍使用的技术,”该项目的首席科学家,美国宇航局喷气推进实验室的塞里·纳恩博士说,“如果使电台之间的噪声互相关,则实际上可以看到它们之间传播的波。第一个电台是源,第二个电台是接收机。”

不幸的是,纳恩博士无法从月球数据中获得类似的模式。但是那次失败揭示了关于月球的其他东西——即它似乎没有表面波,这些表面波被困在岩石的上层并在周围反弹。纳恩博士说:“月球上似乎不存在这种波。”

图注:1969年至1972年,月球上总共人工放置了5个地震仪,其中一台是1969年阿波罗12号宇航员艾伦·比恩放置的。

这表明月球表面的上层可能高度破裂,厚度高达100公里,两者都扰乱了地震波在整个表面上的运动。纳恩博士说:“这个高度断裂的层正在改变地震波的行为方式。”

目前,月球上没有有源地震仪。但有人建议在未来的任务中将新的地震仪送回月球表面。

“我们有兴趣使用更小的地震仪,可由穿进器携带该地震仪发射到月球,穿进器类似导弹形状的物体。” 纳恩博士说,“在穿进器后面放了一个很小的地震仪,然后从下降的着陆器或直接从地球发射它们。”

问题

在月球上放置新的地震仪可能会回答几个悬而未决的问题,例如,为什么月球的近侧(朝向我们)和远侧(北向我们)之间存在巨大的结构差异。

纳恩博士说:“(可能)与内部结构有关。有一种理论认为月球形成后被地球的另一颗卫星撞击,这就是为什么您会得到这种奇怪的不对称性。探索内部结构将很有趣。最重要的是,我们想限制月球核心的厚度。”

理解这一点可以帮助证明有关地球和月球形成时,这些早期的灾难性影响如何帮助确定其今天的结构的理论。

但是,在火星上,情况有所不同。地震不是由潮汐相互作用产生的,而是由行星的冷却和收缩产生的产生深应力导致的。据信,流星体撞击也起到一个作用,就像在月球上一样,在行星周围发出地震波。

直到2018年研究人员在美国宇航局(NASA)的洞察号(InSight)任务中将地震仪降落在这颗红色星球上之后,才证明火星地震的存在。洞察号火星着陆器于2019年4月6日使用其内部结构抗震实验(SEIS)仪器检测到了首次定性地震,该仪器在着陆器于2018年11月26日降落后不久被其机械臂轻轻地放置在地面上。从那时起,还检测到约500个后续事件。

火星火山活动

尽管大多数地震规模较小,但其中一些地震规模却足够大(几乎相当于4级地震),可以追溯到其源头,即洞察号火星着陆器以东约1600公里的科伯洛斯槽沟(Cerberus Fossae)地区。人们认为,由于火星地壳中的裂缝被拉伸,可能是由于火山活动,应力的累积导致了那里的地震。

图注:自从研究人员于2018年在NASA的洞察号(InSight)任务中将地震仪降落在火星上以来,它已经记录了地球上约500次地震事件。

虽然较大的地震似乎起源于火星地壳下方的地幔,但较小的地震却被认为始于地壳本身。然而,在距离地表八到十一公里的火星上地壳中,地震波的速度似乎比地球上类似的岩石低约50%。

GeoInSight项目的研究人员一直在研究洞察号着陆点周围地面的地质情况,以了解可能发生的事情的更多信息。他们使用了来自NASA火星侦察轨道飞行器(MRO)的图像和数据来研究洞察号到达之前的埃律西昂平原(Elysium Planitia)地区。

GeoInsight项目协调人,丹麦哥本哈根大学的卢潘博士说,这些图像显示,着陆器下方有200至300米的熔岩流。她说:“但是在这些熔岩流之下,我们有几公里深的沉积岩和粘土岩。”

潘博士说,这种分层是地震波速度较低的一种解释,因为沉积岩的孔隙度很高,可能会使地震波减慢速度。另一个可能性是,上地壳已被陨石撞击和其他过程严重破坏和破裂,从而对波产生更大的阻力。

潘博士指出,这些发现也对洞察号的其他一些结果产生了影响。“例如,洞察号令人兴奋的发现之一就是磁场,它是我们从轨道上观察到的磁场的十倍。”她说, “已经建立了地层学(岩石的分层),我们可以帮助对磁场的来源施加一些限制,即39亿年前(前)的地层。”

嗡嗡声

尽管洞察号将继续使用SEIS仪器探查火星内部,但科学家们也热衷于揭开它正在获取的奇怪读数的奥秘。

“当发生另一事件时,嗡嗡声以特定的频率发生。” 潘博士说,“我们真的不明白这是什么。有时候在发生地震时,我们会看到嗡嗡声随之而来。我们在地球上确实没有一个很好的类似物。”

当洞察号及其仪器聆听这颗红色星球的内部运行状况时,它可能有助于揭示嗡嗡声的根源,并揭示出这个外星世界内部的真正含义。

#科学

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