洞察號的火星之旅·火震

2020-12-03 haibaraemily

洞察號攜帶了一個火震儀，用於探測火星上的震動。

火震儀會在洞察號著陸之後被固定在火星表面上，然後用一個罩子罩起來減少外界風和熱的幹擾。

（洞察號火震儀安裝演示圖。來源：NASA）

為什麼探測火星的內部結構需要地震儀（劃掉，在火星就叫火震儀了）呢？簡單來說，就是當固態天體發生震動的時候，震動產生的波（地震波）在不同密度的地層中傳播速度不同，那麼通過測量不同地層傳來的地震波之間的時間差，就可以反推內部每一層的厚度和密度了。

（通過地/火震波探測天體內部結構原理。來源：NASA）

火星幾乎沒有板塊活動，而且和其他大多數火震形式一樣，這些震動幾乎無法準確判斷震源位置，為此，洞察號想出了一個巧妙的辦法：

探測隕石撞擊引起的火震。

在火星勘測軌道飛行器(MRO)探測器高解析度影像的配合之下，一旦發生隕石撞擊引起的火震，洞察號將會迅速搜索到新產生的隕石坑的精確位置，也就確定了震源的坐標，進而測量地震波的行進時間。

當然，單個地震儀觀測會有很多局限性，因為地震儀數目越多，分布越廣，才能探測到越深、越準確的內部結構。事實上，即使當年的阿波羅登月任務安裝了四臺月震儀，也還是沒能克服這一問題，因為這些月震儀實在是靠得太近了，全部扎堆於月球近月面的低緯度區域，造成的後果是：我們很難探測到遠月面的月震，也無法探測到深於1100-1300 km的具體結構了，也就是說儘管我們知道內部的分層狀況和各層狀態，但對下月幔和月核的深度和密度還是有很大的不確定性。

（左上）阿波羅任務在月球上安置的幾個月震儀，其中Apollo 11僅工作了三周就壞了，Apollo月震數據主要來自於12, 14, 15和16，Apollo 17處安置了一個重力儀。來源：[1]。（右上）四個月震儀觀測到的月震情況，到1977年四臺月震儀停止工作期間，共記錄下了12558次月震（包括9次人工月震）。來源：[2]。（左下）目前認為的月球內部波速和密度隨深度的（粗略）關係。來源：[3]（右下）月球內部結構。來源：[4]，近月面四個綠色點（A12/14，A15，A16）表示阿波羅號安裝的四個月震儀的緯度。

只不過，如今的洞察號，有更靈敏的地震儀，也有更高解析度的MRO影像幫助定位震源位置，它希望能夠單槍匹馬，做得比阿波羅號更好。

還有一個問題，雖然每多觀測到一次撞擊，我們就能多了解火星內部一點點，但洞察號的設計壽命只有1個火星年（約2個地球年），而隕石撞擊畢竟是純概率事件，這2年期間能觀測到多少次強度足夠大的隕石撞擊引起的火震呢？說不好。

只能說，或許我們需要一點耐心，還需要一點運氣。

參考

[1] Kawamura, T., N. Kobayashi, S. Tanaka, and P. Lognonné (2015), Lunar Surface Gravimeter as a lunar seismometer: Investigation of a new source of seismic information on the Moon. J. Geophys. Res. Planets, 120, 343–358. doi: 10.1002/2014JE004724.

[2] Nakamura, Y., Latham, G. V., & Dorman, H. J. (1982). Apollo lunar seismic experiment—Final summary. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 87(S01).

[3] Weber, R., C., Lin, P., Y., Garnero, E., J., Williams, Q., Lognonné, P., (2011) Seismic Detection of the Lunar Core. Science 331, 309. DOI: 10.1126/science.1199375

[4] Wieczorek, M.A., B.L. Jolliff, A. Khan, M.E. Pritchard, B.P. Weiss, J.G. Williams, L.L. Hood, K. Righter, C.R. Neal, C.K. Shearer, I.S. McCallum, S. Tompkins, C. Peterson, J.J. Gillis, B. Bussey (2006), The Constitution and Structure of the Lunar Interior. Reviews on Mineralogy and Geochemistry, , v. 60, p. 325

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