洞察号任务:揭开火星面纱


Mars CREDIT内部结构的艺术家印象©IPGP / David Ducros

在法国开发的广泛乐队Seis地震仪中,使用从火星上检测到的大约十几次地震所获得的信息,NASA的Insight Mission的国际团队推出了火星的内部结构。

三篇论文发表在2021年7月23日,在《科学》杂志上,涉及众多合作者从法国机构和实验室,包括CNRS de体格du研究所全球巴黎,巴黎大学,特别是支持法国航天机构CNES一定法国国家研究机构,提供,这是第一次对地球核心的大小、地壳的厚度和地幔的结构进行估计,这是基于对地震波的分析,这些地震波被地球内部的界面反射和修改。这是有史以来首次对地球以外的类地行星内部结构进行地震勘探,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,人们对火星的内部结构仍然知之甚少。这些模型仅基于轨道卫星收集的数据和对坠落地球的火星陨石的分析。仅根据重力和地形资料,估计地壳的厚度在30至100公里之间。这颗行星的惯性矩和密度的值表明,它的核心半径为1400到2000公里。然而,火星的详细内部结构和地壳、地幔和地核之间的边界深度是完全未知的。

随着2019年初SEIS实验在火星表面的成功部署,该任务的科学家,包括18名参与和隶属于广泛的法国机构和实验室的法国合著者,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喷气推进实验室收集并分析了火星一年(几乎是地球两年)的地震数据。

需要指出的是,为了同时确定结构模型、地震(到达)时间和距离,通常需要多个站。然而,在火星上,科学家们只有一个空间站——洞察号。因此,有必要从地震记录中寻找以各种方式与火星内部结构相互作用的波的特征,并加以识别和验证。这些新的测量,加上对行星内部结构的矿物学和热模拟,使我们有可能克服只有一个监测站的限制。这种方法开创了行星地震学的新纪元。

一个站,多个发现

火星上的另一个困难是其低地震性和由其大气产生的地震噪声。在地球上,地震更强大,而地震仪更有效地位于拱顶或地下,使得可以获得地球内部的准确形象。因此,必须特别注意数据。“但虽然火星地震的数量相对较低,但距离VBB传感器的高度高度相结合的夜幕降低的噪音非常低,使我们能够使我们认为只有地震所思考的发现巴黎大学教授菲利普·洛纳诺(PhilippeLognonné)和IPGP中SEIS文书的主要调查员解释一下。

每天,经CNES、IPGP和CNRS处理后的数据被传送给科学家,仔细清除环境噪声(与快速温度变化有关的风和变形)。国际火星地震服务队(MQS)每天记录地震事件:目前已有600多个地震事件被编目,其中60多个是由相对较远的地震引起的。

后者中大约有10个包含关于地球深层结构的信息:“地震产生的直接地震波有点像我们在山里的声音:它们产生回声。正是这些从地核、壳幔界面甚至火星表面反射回来的回声,由于它们与直达波的相似性,我们在信号中寻找这些回声。”Lognonné解释道。

地壳发生了变化,地幔显露出来,还有一个巨大的液态核

通过比较地震波的行为在到达洞察站之前,识别地壳的几个不连续性:首先观察到约10公里的深度,标志着高度改变的结构之间的边界,由此产生很久以前,流体循环,并且只有略微改变的地壳。左右20公里的第二个不连续,三分之一,左右35公里,落下了地壳下面的地壳的分层左右的三分之一,我们使用了所有最近的分析方法,既有地震构造起源和环境引起的振动(地震噪声),“里昂大学高级讲师Benoit Tauzin说,LGL-TPE的研究员。

在地幔中,科学家分析了在地震期间直接产生的波的行驶时间之间的差异,以及当这些直接波反射表面时产生的波的波浪之间的差异。这些差异使得仅使用单个车站来确定上部地幔的结构,特别是具有深度的地震速度的变化。然而,速度的这种变化与温度有关。“这意味着我们可以估计火星的热流,这可能比地球低三到五倍,并且对火星地壳的组成的限制被认为包含超过存在的发热的放射性元件超过一半这个星球,“在IPGP的CNRS研究员中添加了Henri Samuel。

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,测量其半径是洞察号任务的主要成就之一。“为了做到这一点,”isae - superaero的研究工程师Mélanie Drilleau解释道,“我们根据观测到的阶段和信号测试了数千个地幔和核心模型。”尽管与反射波(即ScS波)相关的信号振幅较低,但在半径在1790公里至1870公里之间的核心观测到过量的能量。如此大的体积意味着在液体核中存在轻元素,并对地幔/核界面的地幔矿物学有重要影响。

目标实现了,新的问题出现了

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,一直到核心。因此,火星加入了地球和月球的类地行星俱乐部,这些类地行星和卫星的深层结构已被地震学家探索过。而且,就像行星探索中经常发生的那样,新的问题出现了:前10公里地壳的变化是普遍的,还是仅限于洞察号着陆区?这些最初的模型会对火星形成和热演化的理论产生什么影响,特别是在火星表面有液态水和强烈火山活动的前5亿年?

随着洞察号任务延长两年,以及喷气推进实验室(JPL)成功清理其太阳能电池板后获得的额外电力,新的数据应该会巩固和进一步改进这些模型。

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关于InSight和SEIS:

喷气推进实验室代表美国宇航局科学任务理事会管理InSight任务。洞察号是美国宇航局“发现”计划的一部分,该计划由马歇尔太空飞行中心(MSFC)运营,该中心是美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的一个设施。位于丹佛的洛克希德·马丁航天公司建造了洞察号宇宙飞船,包括它的巡航级和着陆器,并支持航天器的任务操作。CNES是SEIS的主承包商,巴黎地球物理研究所(Université de Paris / IPGP / CNRS)承担科学责任。CNES资助法国的捐款,协调国际财团(*),并负责整合、测试和向NASA提供完整的仪器。IPGP设计了VBB(非常宽带)传感器,并在它们交付给CNES之前进行了测试,并为火星上VBB的运行做出了贡献。

SEIS和APSS业务由法国国家研究中心在focus - sismoc内进行,并得到Astrobiología中心(西班牙)的支持。SEIS数据由巴黎IPG的火星SEIS数据服务(Mars SEIS data Service)进行格式化和分发,作为InSight国家观测服务(InSight National Observation Service)的一部分,LPG也为其做出了贡献,GéoAzur为“Sismo at School”活动提供了支持。地震的日常识别是由InSight的火星地震服务机构进行的,这是一个由苏黎世联邦理工学院领导的协作操作服务机构,来自巴黎IPG、布里斯托尔大学(英国)和伦敦帝国理工学院(英国)的地震学家也参与了工作。

其他几个CNRS实验室包括LMD (CNRS /巴黎高等师范学院/巴黎理工学院/索邦大学),LPG (CNRS /南特大学/昂热大学),IRAP (CNRS /图卢兹大学/ CNES), LGL-TPE (CNRS / Ecole normale supérieure de Lyon / Université Claude Bernard Lyon 1),IMPMC(索邦大学/法国国家自然历史博物馆/ CNRS)和LAGRANGE (CNRS / Côte d’azur大学/ Côte d’azur天文台)与IPGP和ISAE-SUPAERO共同对InSight任务数据进行分析。作为ANR火星地球物理观测(MAGIS)项目的一部分,这些分析得到了CNES和法国国家研究机构的支持。

(*)与SODERN的合作,用于发展瑞士联邦理工学院(ETH,Zürich瑞士),Max Planck太阳能系统研究所(MPS,Göttingen,德国),伦敦帝国学院和牛津大学提供了SEI的子系统,参与了SEI的科学运作。

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