“洞察”號首次揭秘火星內部構造

2021年07月25日10:00

  編譯|王昱

  審校|吳非

  行星的很多秘密都被埋藏在它們的內部。通過探測行星的內部結構,我們能探索一顆行星的起源,描繪它在億萬年漫長歲月中的演化過程。在地球上,人類通過地震波探測地球內部結構:而在火星上,“洞察號”則讓我們有機會瞭解火星的內部組成。

  就在本週,“洞察號”對火星內部結構的測定結果發表在3篇《科學》雜誌論文中。利用來自“洞察號”的火星震數據,人類首次揭示了火星殼層、幔層和核心的完整結構。

  如何測量

  即使是在地球上,人類也無法直接觸碰到地球內部深處。人類目前最深的鑽井是蘇聯在1989年挖掘的科拉超深井,達到了12 289米深。然而,這個深度和地球6371千米的半徑相比實在是相形見絀。不過,這並沒有抵擋科學家探測地球內部的腳步,他們找到了瞭解地球內部結構的手段——地震波。當地震波穿過行星內部,它在內部的折射、反射都能揭示地球內部結構的特徵。

  20世紀,科學家通過這種方法陸續查明了地殼、地幔和地核的結構。而現在,科學家在火星上也能做到同樣的事情了。NASA研發的“洞察號”著陸器2018年在火星降落,它是第一個肩負研究這顆紅色星球內部任務的探測器。“洞察號”採用了類似於“鳳凰號”的結構,用太陽能板供能。探測器著陸在火星赤道以北的埃律西昂平原西部,這裏陽光充足、地勢地平,而且土質細膩,是安全的著陸點,也適合安放地震儀。

  為了滿足探測需要的精度,地震儀並沒有集成在航天器上,而是在探測器著陸後,由探測器的機械臂像“抓娃娃”一樣把它放到火星表面上,用於聆聽火星震、為科學家收集來自火星內部的信號。

  地球上大部分地震來自於板塊運動時產生的斷層,但火星並沒有板塊構造,它的殼層就像一整塊巨大的板塊。不過火星殼層仍然會因為不均勻冷卻而產生斷層,由此產生火星震。到目前為止,“洞察號”檢測到了733次火星震,意味著這顆星球的震動活動比地球少,但仍比月球活躍。其中35次震級在3到4級之間,也正是它們讓科學家能為我們揭開火星內部神秘。

  火星結構

  接下來,就讓我們從火星表面開始逐漸向核心深入,依次來看看這些研究揭示了關於火星的哪些重要信息。

  第一項研究揭示了關於火星殼層的詳細信息。研究團隊通過“洞察號”著陸點附近的火星震記錄和環境波場,得到了著陸位置附近的地殼信息。通過分析火星震波信號在地殼界面中的反射和改變,他們發現火星地殼中可能具有2或3個界面。如果第二個界面是地殼的邊界,則著陸點附近的殼層厚度為20千米;如果第三個是邊界,那麼殼層厚度應為39千米。而火星全球的殼層厚度在24~72千米之間。

  另一個團隊則通過8次低頻火星震的直達火星震波(P波和S波)以及界面反射波(PP波、PPP波、SS波和SSS波),分析火星內部的深層結構。他們發現火星幔層範圍可以抵達火星地表以下800千米處,而火星的岩石圈覆蓋範圍達到地下500千米,並且和地球一樣,在岩石圈之下存在一個低速層。根據他們的研究,火星幔部的放射性元素含量較多,從內部加熱了整顆星球。

  最後一項研究則關注了火星核心。火星液態金屬核心的半徑在1830千米左右,接近火星半徑(3390千米)的一半。較大的核心表明火星幔層只包含一個岩石層。至於核心中間是否像地球一樣擁有固態的內核,目前的數據還無法確定。火星核心的平均密度為5.8~6.2克/立方釐米,比原先估計的更輕。這說明有大量較輕的元素存在於鐵鎳核心中。

  對科學家來說,能得到這樣的數據自然令人興奮。更何況對他們而言,得到如此振奮人心的結論並沒有花費太長時間。斯塔勒說:“人類測量地球核心花了幾百年;在阿波羅登月後,測量月球核心花了40年;而‘洞察號’著陸後,測量火星核心只用了兩年。”

  未來的探測

  根據現有數據進行分析,“洞察號”觀測到的大部分較強的火星震信號都來自於同一個方向:刻耳柏洛斯塹溝群(Cerberus Fossae)。這裏有足夠多的火山活動,或許在最近幾百萬年內其地下還有岩漿流動。軌道探測器也在這片區域發現了巨石滾落山坡的痕跡。

  不過令人好奇的是,在那些更知名的火山活動區域,比如擁有三座巨型火山的塔爾西斯(Tharsis),並沒有檢測到火星震信號。這可能是因為火星核心阻止火星震波向特定方向反射,無法到達“洞察號”,由此形成了一個無法被檢測的核陰影區(core shadow)。

  當然,在初步得出火星結構後,科學家們絕不會止步於此。而此時,他們最期待的就是一次大於里氏4級的火星震。“我們很想看到一次較強的地震,”NASA噴氣動力實驗室的馬克·潘寧(Mark Panning)說,“我們必須對這些數據進行非常仔細的處理,才能得到我們想要的結果。而一次較強的火星震會讓這一切簡單很多。”

  目前,“洞察號”的太陽能面板上已經佈滿了灰塵,能量供應水平正在下降。上個月,“洞察號”在當天風力最強的時候,向其太陽能板附近倒了一些沙子。飛濺出來的沙子在太陽能板上滾動時,帶走了更多的灰塵,相當於用沙子對太陽能板進行了“清潔”,以此增加著陸器的能量供應。

  視頻來源:NASA/JPL-Caltech

  未來的幾個月,火星在軌道上朝著遠日點移動,“洞察號”不得不進入休眠狀態。在這期間,科學家無法第一時間獲得“洞察號”的數據,但是“洞察號”放置在火星表面的地震儀仍會監聽火星內部。希望在“洞察號”歸來時,能給我們帶來更多驚喜。

  參考論文:

  [1]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/388

  [2]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/438

  [3]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/434

  [4]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/443

  參考鏈接:

  https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-insight-reveals-the-deep-interior-of-mars

  https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-07/aaft-nil071921.php

  https://mars.nasa.gov/news/8959/nasas-insight-mars-lander-gets-a-power-boost/?site=insight

  本文轉自環球科學

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