火星震显示这颗红色星球的放射性比我们想象的要强得多

三项最新研究利用美国宇航局“毅力号”着陆器的数据,揭示了火星的内部构造。
A blue-colored cliff on Mars.
刻画者峡谷(Cerberus Fossae)是一组陡峭的裂谷,切割着火星表面的火山平原。科学家们认为,近期发生的火星地震就源于该区域。NASA/JPL-Caltech/亚利桑那大学

NASA的“毅力号”着陆器于2018年首次登陆火星,携带了大量仪器,旨在帮助地面科学家对这颗行星进行全面的体检。其中,“毅力号”的一个主要传感器是自20世纪70年代“维京号”着陆器以来,首个测量这颗红色行星脉搏的地震仪。

经过大约一年的时间,该探测器于2019年初开始探测所谓的“火星地震”。现在,基于“毅力号”地震数据的三项不同研究(均于昨天发表在《科学》杂志上)让我们以前所未有的视角深入了解了我们的行星邻居。

利用大约10次火星地震的测量数据,以及通过火星陨石和其他火星数据获得的火星岩石知识,研究团队得以揭示关于这颗红色行星的结构和演化方面的新知识。一项研究侧重于确定火星地壳的大小和特征,一项研究侧重于地幔(或中间层),还有一项研究侧重于行星的核

研究火星地幔的首席作者,苏黎世联邦理工学院地球物理研究所的地球物理学家Amir Khan表示,这些火星地震的震级仅为3到4级,如果在地球上发生,几乎不会被人感觉到。

A seismogram readout from Mars.
美国宇航局“毅力号”着陆器地震仪记录的火星地震证据。地震学家仔细分析地震图,以判断地震是否真正发生,还是仅仅是风引起的。NASA/JPL-Caltech

“这些东西真是太棒了,”澳大利亚科廷大学和行星科学研究所的天体地质学家Gretchen Benedix说,她没有参与这些研究。她认为,这是一个好迹象,尽管三个团队独立工作,但他们对火星的描绘却殊途同归。Benedix研究过火星陨石,并利用机器学习研究行星表面的演化。

其中一个令人惊讶的发现(或“未火星化”的发现)是,火星拥有一个异常巨大的核心;其半径处于科学家先前估计的上限。这颗行星由液态金属构成的核心实际上是从地表下约1500公里处开始的,仅相当于火星中心的一半路程,这使得其铁镍核心比任务开始时科学家们认为的更大,但也更不致密。

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另一项研究则弄清了火星岩石圈的厚度——这是行星寒冷而坚硬的顶部区域,包括地壳和地幔的外部较冷部分——作者们现在认为其厚度约为400至600公里。相比之下,尽管地球更大(实际上是火星直径的两倍),但地球的岩石圈平均厚度仅为100公里。

A cross-section illustration of Mars.
地震波告诉我们行星内部的性质和边界。从火星地震产生的剪切波(Shear waves)在撞击铁镍核心后反射,被“毅力号”地震仪探测到,为我们估算了核心的大小。反射波的强度表明核心处于液态,而剪切波无法穿过液态。Chris Bickel/《科学》杂志

研究人员利用“毅力号”地震仪的数据推断出这一点,该仪器主要捕捉地震产生的两种不同类型的波。一种是P波(Primary waves),它们最先出现,传播速度最快;另一种是S波(Secondary waves),它们传播速度较慢,但在地震时会造成我们所认为的真正损害。

P波的传播方式就像被压缩的弹簧——沿着传播方向挤压和拉伸地面;而S波的传播方向则与传播方向垂直,就像海浪一样。

行星科学研究所的岩石学家(petrologist,研究岩石起源及其成分的地质学家)J. Brian Balta表示,但这些波在不同的地层中传播的速度并非都一样。Balta在过去十年中一直在研究火星陨石,以了解火星。他没有参与这些研究。

Balta说,“当你的地震仪器足够灵敏时”,你就可以分辨出一个直接朝你传来的S波和一个先“反弹”过其他东西的S波,甚至是一个反弹过两次的S波。这有助于构建地下图像。

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波在较热的地下区域传播速度也会变慢,这可以告诉研究人员火星下方放射性物质的丰度。

Khan说:“我们的结果表明,火星地壳中富集的热产生放射性元素的含量是卫星数据先前确定的13到20倍。”

Balta说,岩石行星内部积聚的热量来自不同的来源。有些热量是行星形成时遗留下来的,但相当一部分也来自于内部放射性同位素的缓慢衰变。

火星地震似乎起源于刻画者峡谷(Cerberus Fossae),这是一个火星地表上的裂缝集合,研究人员于5月份在此发现了近期火山活动的迹象。Balta表示,这两个事实都表明“刻画者峡谷可能是火星近期活动最活跃的地点之一,而且这两项测量结果都支持这一说法。”

与此同时,数据仍在不断传回地球,为我们提供了更多关于火星内部运作的线索。Khan说:“每天都在探测到新的火星地震。”

 

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Leto Sapunar

特约撰稿人,科学

Leto Sapunar是一名自由撰稿的科学记者,自2020年起报道物理学、太空、气候和科学问责。他自2021年初以来一直在为《流行科学》撰稿,他的作品还刊登在《科学美国人》、《内幕气候新闻》和Retraction Watch等出版物上。工作之余,他会写科幻小说或进行攀登运动。


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