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环球科学 07-24

这个从未有人涉足的内在世界,终于揭开了神秘面纱

图片来源:IPGP/David Duros

编译|王昱

审校|吴非

行星的很多秘密都被埋藏在它们的内部。通过探测行星的内部结构,我们能探索一颗行星的起源,描绘它在亿万年漫长岁月中的演化过程。在地球上,人类通过地震波探测地球内部结构:而在火星上," 洞察号 " 则让我们有机会了解火星的内部组成。

就在本周," 洞察号 " 对火星内部结构的测定结果发表在 3 篇《科学》杂志论文中。利用来自 " 洞察号 " 的火星震数据,人类首次揭示了火星壳层、幔层和核心的完整结构。

如何测量

即使是在地球上,人类也无法直接触碰到地球内部深处。人类目前最深的钻井是苏联在 1989 年挖掘的科拉超深井,达到了 12 289 米深。然而,这个深度和地球 6371 千米的半径相比实在是相形见绌。不过,这并没有抵挡科学家探测地球内部的脚步,他们找到了了解地球内部结构的手段——地震波。当地震波穿过行星内部,它在内部的折射、反射都能揭示地球内部结构的特征。

20 世纪,科学家通过这种方法陆续查明了地壳、地幔和地核的结构。而现在,科学家在火星上也能做到同样的事情了。NASA 研发的 " 洞察号 " 着陆器 2018 年在火星降落,它是第一个肩负研究这颗红色星球内部任务的探测器。" 洞察号 " 采用了类似于 " 凤凰号 " 的结构,用太阳能板供能。探测器着陆在火星赤道以北的埃律西昂平原西部,这里阳光充足、地势地平,而且土质细腻,是安全的着陆点,也适合安放地震仪。

图片来源:参考论文 [ 1 ]

为了满足探测需要的精度,地震仪并没有集成在航天器上,而是在探测器着陆后,由探测器的机械臂像 " 抓娃娃 " 一样把它放到火星表面上,用于聆听火星震、为科学家收集来自火星内部的信号。

图片来源:NASA/JPL-Caltech

地球上大部分地震来自于板块运动时产生的断层,但火星并没有板块构造,它的壳层就像一整块巨大的板块。不过火星壳层仍然会因为不均匀冷却而产生断层,由此产生火星震。到目前为止," 洞察号 " 检测到了 733 次火星震,意味着这颗星球的震动活动比地球少,但仍比月球活跃。其中 35 次震级在 3 到 4 级之间,也正是它们让科学家能为我们揭开火星内部神秘。

火星结构

接下来,就让我们从火星表面开始逐渐向核心深入,依次来看看这些研究揭示了关于火星的哪些重要信息。

第一项研究揭示了关于火星壳层的详细信息。研究团队通过 " 洞察号 " 着陆点附近的火星震记录和环境波场,得到了着陆位置附近的地壳信息。通过分析火星震波信号在地壳界面中的反射和改变,他们发现火星地壳中可能具有 2 或 3 个界面。如果第二个界面是地壳的边界,则着陆点附近的壳层厚度为 20 千米;如果第三个是边界,那么壳层厚度应为 39 千米。而火星全球的壳层厚度在 24~72 千米之间

另一个团队则通过 8 次低频火星震的直达火星震波(P 波和 S 波)以及界面反射波(PP 波、PPP 波、SS 波和 SSS 波),分析火星内部的深层结构。他们发现火星幔层范围可以抵达火星地表以下 800 千米处,而火星的岩石圈覆盖范围达到地下 500 千米,并且和地球一样,在岩石圈之下存在一个低速层。根据他们的研究,火星幔部的放射性元素含量较多,从内部加热了整颗星球。

最后一项研究则关注了火星核心。火星液态金属核心的半径在 1830 千米左右,接近火星半径(3390 千米)的一半。较大的核心表明火星幔层只包含一个岩石层。至于核心中间是否像地球一样拥有固态的内核,目前的数据还无法确定。火星核心的平均密度为 5.8~6.2 克 / 立方厘米,比原先估计的更轻。这说明有大量较轻的元素存在于铁镍核心中。

图片来源:参考论文 [ 4 ]

对科学家来说,能得到这样的数据自然令人兴奋。更何况对他们而言,得到如此振奋人心的结论并没有花费太长时间。斯塔勒说:" 人类测量地球核心花了几百年;在阿波罗登月后,测量月球核心花了 40 年;而‘洞察号’着陆后,测量火星核心只用了两年。"

未来的探测

根据现有数据进行分析," 洞察号 " 观测到的大部分较强的火星震信号都来自于同一个方向:刻耳柏洛斯堑沟群(Cerberus Fossae)。这里有足够多的火山活动,或许在最近几百万年内其地下还有岩浆流动。轨道探测器也在这片区域发现了巨石滚落山坡的痕迹。

不过令人好奇的是,在那些更知名的火山活动区域,比如拥有三座巨型火山的塔尔西斯(Tharsis),并没有检测到火星震信号。这可能是因为火星核心阻止火星震波向特定方向反射,无法到达 " 洞察号 ",由此形成了一个无法被检测的核阴影区 ( core shadow ) 。

当然,在初步得出火星结构后,科学家们绝不会止步于此。而此时,他们最期待的就是一次大于里氏 4 级的火星震。" 我们很想看到一次较强的地震,"NASA 喷气动力实验室的马克 · 潘宁(Mark Panning)说," 我们必须对这些数据进行非常仔细的处理,才能得到我们想要的结果。而一次较强的火星震会让这一切简单很多。"

目前," 洞察号 " 的太阳能面板上已经布满了灰尘,能量供应水平正在下降。上个月," 洞察号 " 在当天风力最强的时候,向其太阳能板附近倒了一些沙子。飞溅出来的沙子在太阳能板上滚动时,带走了更多的灰尘,相当于用沙子对太阳能板进行了 " 清洁 ",以此增加着陆器的能量供应。

视频来源:NASA/JPL-Caltech

未来的几个月,火星在轨道上朝着远日点移动," 洞察号 " 不得不进入休眠状态。在这期间,科学家无法第一时间获得 " 洞察号 " 的数据,但是 " 洞察号 " 放置在火星表面的地震仪仍会监听火星内部。希望在 " 洞察号 " 归来时,能给我们带来更多惊喜。

以上内容由"环球科学"上传发布
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