NASA气球检测到加利福尼亚地震,下一步探测金星?

2019年7月,在加利福尼亚州里奇克雷斯特(Ridgecrest)发生一系列地震后,四个“heliotrope”气球在出现该地区附近并持续飞行。美国宇航局喷气推进实验室(JPL)和加州理工学院的研究人员希望通过在气球上安装气压计来探测其中一次余震的声音。
这项技术正被开发,用来探测金星上的地震。一项新的研究报告详细说明了它是如何在2019年首次用气球探测到离人类居住区更近的地震的。
2019年7月4日至6日,加利福尼亚州里奇克雷斯特附近发生了一系列强烈地震,在6周内引发了1万多次余震。然而美国宇航局喷气推进实验室和加州理工学院的研究人员却看到了一个宝贵的机会,他们借助气球将悬挂在球上的仪器放飞到该地区上空,希望能通过气球首次探测到自然发生的地震。他们的目标是测试这项技术在金星的未来应用,在那里,装有科学仪器的气球可以漂浮在金星那极端不适宜居住的表面上。
他们成功了。7月22日,其中一个气球上的高灵敏度气压计(测量气压变化的仪器)探测到地面余震引起的低频声波。
在6月20日发表在《Geophysical Research Letters》上的最新研究中,气球项目背后的技术团队描述了类似的技术如何帮助我们揭示金星最深处的奥秘。尽管金星表面温度高到足以熔化铅,大气压力高到足以压碎潜艇,但是在这样的恶劣环境中该技术依然可以达到预期效果。
PlanetaryRumbles
行星震动
金星大约有地球那么大,虽然它现在进化成一个与我们宜居的世界截然不同的行星,但是在这之前它曾一度被认为更适宜人类生存。科学家们还不清楚为什么会这样。
了解岩石行星是如何演化的一个关键方法是研究其内部结构,而最好的方法之一就是测量在其表面下四处反弹的地震波。在地球上,不同的材料和结构以不同的方式折射这些次表层波。通过研究地震或爆炸产生的波的强度和速度,地震学家可以确定地表下岩石层的特征,甚至可以精确定位液体的储层,如石油和水。这些测量也可用于探测火山活动和地壳构造。
其中一个“heliotrope”气球正在为2019年里奇克雷斯特一系列地震后不久的飞行做准备。这些气球是从加利福尼亚的莫哈韦沙漠发射的,可以在该地区上空飘浮。
“我们对地球内部的大多了解,包括它是如何冷却的,以及它与地表的关系,以及生命存在的地方,都来自于对横越深至地球内核的地震波的分析。”加州理工学院地震实验室矿物物理学教授William E. Leonhard、该研究的合著者Jennifer M. Jackson说,“数以万计的地面地震仪密集的分布在空间网络中,从而在地球上实现了这种可能性。在其他行星上,我们就没有这种享受了,尤其是金星。观察那里的地震活动将加强我们对岩态行星的理解,但金星的极端环境要求我们要研究新的探测技术。”
自2016年以来,喷气推进实验室和加州理工学院一直在开发这种基于气球的地震学技术。因为地震波产生声波,信息从地下被传播到大气中。然后,通过研究来自空气的声波就可以收集到有价值的科学数据,就像地震学家研究来自地面的地震波一样。
如果这能在金星上实现,科学家将找到一种方法来研究行星神秘的内部,而不需要在其极端环境的表面上布置任何探测设备。
TheRidgecrest Quakes
里奇克莱斯特地震
在2019年里奇克莱斯特地震序列之后的余震中,喷气推进实验室的Attila Komjathy和他的同事们释放了两个“heliotrope”气球来推进这个项目。在新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室Daniel Bowman研究的设计基础上,这些气球在被太阳加热后上升到大约11到15英里(18到24公里)的高度,然后在黄昏时返回地面。当气球漂浮时,它们携带的气压计测量出该地区上空的气压变化,而余震产生的微弱声波振动则在空气中传播。
StudentProject: Make a Planetary Exploration Balloon
研究项目:做一个行星探测气球
加州理工学院地震实验室和挪威地震阵列(NORSAR)的地震学家Quentin Brissaud说:“试图通过气球探测自然发生的地震是一项挑战,当你第一次看到数据时,你会感到失望,因为大多数低震级的地震在大气中不会产生强烈的声波。各种环境噪声均会被检测,甚至气球本身也会产生噪音。”
在之前的测试中,研究人员在系留气球下方的地面上检测到了地震落锤(落到地面的重物)产生的地震波的声波信号和爆炸声。然而,研究人员能在自然地震上用自由漂浮的气球做同样的研究吗?其中最主要的挑战是:无法确保在气球升空的时候会发生地震。
7月22日,他们有了一个幸运的突破:地面地震仪记录到近50英里(80公里)处发生了4.2级余震。大约32秒后,一个气球在上升到近3英里(4.8公里)的高度时,探测到一种低频声波振动,这种声波的频率低于人类听力的阈值,被称为次声波。通过与计算机模型和仿真进行分析和对比,研究人员证实,他们第一次通过气球携带的仪器检测到一场自然发生的地震。
该研究的第一作者Brissaud说:“因为南加州的地震仪地面站网络非常密集,所以我们能够得到地震发生的时间和地点等地面实况。我们探测到的地震波与附近的地面站有很大的相关性,与模拟数据相比,我们相信我们检测到了地震。”
研究人员将继续在地震活跃的地区上空放飞气球,以获取更多与地震相关的次声波。通过在同一个气球上加上几个气压计,并同时放飞多个气球,他们希望能在不需要地面站确认的情况下确定地震发生的地点。
向金星发放气球已经被证明是可行的。1985年,苏联领导的一个合作组织在那里部署了两个Vega任务气球,将数据传输了46个多小时。两个气球都没有携带探测地震活动的仪器。现在,这项研究表明,在金星上探测次声波技术也是可行的。事实上,由于金星的大气层比地球的密度大得多,声波传播得更有效。
VEGA气球艺术照
这项分析工作的主要研究者,喷气推进实验室的技术专家Siddharth Krishnamoorthy说:“据计算,金星上地震进入大气层的声波耦合比地球上强60倍,这意味着在海拔50到60公里(约31到37英里)的金星大气层的冷层中应该更容易探测到金星地震。在分析地表活动等级时,我们应该能够检测金星地震、火山过程和喷发事件。”
Krishnamoorthy对在金星上放飞气球所期望的目标是:科学家可以通过卫星锁定看起来像是地震带的地方,然后利用气球在那些地震活跃地区的上空漂浮,来判断它们是否真的是地震活跃地区。克里希纳莫莫西是里奇克莱斯特气球项目的技术负责人,他说:“如果我们在一个热区或者看上去像火山的地方的上空漂移,气球将能够通过探测声音来判断它是否真的像陆地火山。这样,气球就可以为卫星测量提供真实的地面数据。”
当金星气球团队继续探索这些可能性时,美国宇航局的同事们也将继续推进在2028年至2030年前往金星的两项任务:VERITAS将研究金星的表面和内部,而DAVINCI+将研究金星大气。欧洲航天局(ESA)也宣布了自己的金星任务。这些任务将提供新的线索,解释为什么这个曾经类似地球的行星变得如此不宜居住。
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