世界不思議

月球和火星上存在地震嗎?我們是如何檢測的?

竊聽像火星和月球這樣的外星世界內深處迴蕩著的顫慄聲,這有助於我們揭示了它們表面之下的深處地質活動情況,並可以使我們更多地瞭解我們自己的星球是如何形成的。

圖註:月球上的第一個地震儀帶有太陽電池板和指向地球的天線,由阿波羅11號宇航員放置在月球上,並由巴斯德·奧爾德林(Buzz Aldrin)踩腳測試
在地球上,我們可以感覺到並看到構造板塊在我們腳下移動的可怕結果。當它們一起研磨時,它們會產生地震,並產生地震波,這些地震波在我們星球深處的岩石、岩漿和金屬層中迴蕩。
科學家可以使用各種儀器來監測這些地震波,這些儀器甚至可以拾取穿過地殼和核心的微弱振動。研究這些波的行為如何在它們穿過我們的行星內部時發生變化,從而揭示出地球深處的東西的細節,這些東西遠在我們的視線之外。

但是地球並不是我們太陽系中唯一存在地震活動的地方。火星和月球都經歷了地震——儘管其原因與地球上的原因不同。地震儀部署在月球上,以及最近在火星上,使研究人員能夠探究這兩個遙遠世界的內部。
結果表明,雖然在地球表面上、火星和月球並不相同,但在其下方它們的共同點比人們想像的要多,但存在一些驚人的差異。
月球地震

月球地震——在月球上眾所周知——是由於流星體撞擊表面或地球引力拉動並拉伸月球內部而產生的,這與月球對地球海洋的潮汐拉動類似。 當月球內部變冷時,它還會使月球像葡萄乾一樣收縮和萎縮,並在地殼彎曲和破裂時引起其他地震。由於月亮從夜晚升起時月球殼中的溫度差異,來自太陽的熱量也會產生熱震。

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在1969年至1972年的阿波羅飛行任務期間,宇航員在月球上部署了五個地震儀。月球地震儀由尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林在阿波羅11號任務中建立。部署儀器後,奧爾德林(Aldrin)踩在月球表面以檢查其是否工作正常——儀器會拾取腳產生的波浪。
其他四台地震儀由隨後的任務遺留下來,並且一直運行到1977年,即最後的阿波羅宇航員踏上月球表面五年之後。 但是大約43年後,科學家們仍在仔細研究他們的數據。
SeisMo是最近重新分析數據的一個項目。“我們正在嘗試應用一種在地球上非常普遍使用的技術,”該項目的首席科學家,美國宇航局噴氣推進實驗室的塞裡·納恩博士說,“如果使電台之間的噪聲互相關,則實際上可以看到它們之間傳播的波。第一個電台是源,第二個電台是接收機。”
不幸的是,納恩博士無法從月球數據中獲得類似的模式。但是那次失敗揭示了關於月球的其他東西——即它似乎沒有表面波,這些表面波被困在岩石的上層並在周圍反彈。納恩博士說:“月球上似乎不存在這種波。”

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圖註:1969年至1972年,月球上總共人工放置了5個地震儀,其中一台是1969年阿波羅12號宇航員艾倫·比恩放置的。
這表明月球表面的上層可能高度破裂,厚度高達100公里,兩者都擾亂了地震波在整個表面上的運動。納恩博士說:“這個高度斷裂的層正在改變地震波的行為方式。”
目前,月球上沒有有源地震儀。但有人建議在未來的任務中將新的地震儀送回月球表面。
“我們有興趣使用更小的地震儀,可由穿進器攜帶該地震儀發射到月球,穿進器類似導彈形狀的物體。” 納恩博士說,“在穿進器後面放了一個很小的地震儀,然後從下降的著陸器或直接從地球發射它們。”
問題

在月球上放置新的地震儀可能會回答幾個懸而未決的問題,例如,為什麼月球的近側(朝向我們)和遠側(北向我們)之間存在巨大的結構差異。
納恩博士說:“(可能)與內部結構有關。有一種理論認為月球形成後被地球的另一顆衛星撞擊,這就是為什麼您會得到這種奇怪的不對稱性。探索內部結構將很有趣。最重要的是,我們想限制月球核心的厚度。”
理解這一點可以幫助證明有關地球和月球形成時,這些早期的災難性影響如何幫助確定其今天的結構的理論。

但是,在火星上,情況有所不同。地震不是由潮汐相互作用產生的,而是由行星的冷卻和收縮產生的產生深應力導致的。據信,流星體撞擊也起到一個作用,就像在月球上一樣,在行星周圍發出地震波。
直到2018年研究人員在美國宇航局(NASA)的洞察號(InSight)任務中將地震儀降落在這顆紅色星球上之後,才證明火星地震的存在。洞察號火星著陸器於2019年4月6日使用其內部結構抗震實驗(SEIS)儀器檢測到了首次定性地震,該儀器在著陸器於2018年11月26日降落後不久被其機械臂輕輕地放置在地面上。從那時起,還檢測到約500個後續事件。
火星火山活動

儘管大多數地震規模較小,但其中一些地震規模卻足夠大(幾乎相當於4級地震),可以追溯到其源頭,即洞察號火星著陸器以東約1600公里的科伯洛斯槽溝(Cerberus Fossae)地區。人們認為,由於火星地殼中的裂縫被拉伸,可能是由於火山活動,應力的累積導致了那裡的地震。

圖註:自從研究人員於2018年在NASA的洞察號(InSight)任務中將地震儀降落在火星上以來,它已經記錄了地球上約500次地震事件。
雖然較大的地震似乎起源於火星地殼下方的地幔,但較小的地震卻被認為始於地殼本身。然而,在距離地表八到十一公里的火星上地殼中,地震波的速度似乎比地球上類似的岩石低約50%。
GeoInSight項目的研究人員一直在研究洞察號著陸點周圍地面的地質情況,以瞭解可能發生的事情的更多信息。他們使用了來自NASA火星偵察軌道飛行器(MRO)的圖像和數據來研究洞察號到達之前的埃律西昂平原(Elysium Planitia)地區。
GeoInsight項目協調人,丹麥哥本哈根大學的盧潘博士說,這些圖像顯示,著陸器下方有200至300米的熔岩流。她說:“但是在這些熔岩流之下,我們有幾公里深的沈積岩和粘土岩。”

潘博士說,這種分層是地震波速度較低的一種解釋,因為沈積岩的孔隙度很高,可能會使地震波減慢速度。另一個可能性是,上地殼已被隕石撞擊和其他過程嚴重破壞和破裂,從而對波產生更大的阻力。
潘博士指出,這些發現也對洞察號的其他一些結果產生了影響。“例如,洞察號令人興奮的發現之一就是磁場,它是我們從軌道上觀察到的磁場的十倍。”她說, “已經建立了地層學(岩石的分層),我們可以幫助對磁場的來源施加一些限制,即39億年前(前)的地層。”
嗡嗡聲

儘管洞察號將繼續使用SEIS儀器探查火星內部,但科學家們也熱衷於揭開它正在獲取的奇怪讀數的奧秘。
“當發生另一事件時,嗡嗡聲以特定的頻率發生。” 潘博士說,“我們真的不明白這是什麼。有時候在發生地震時,我們會看到嗡嗡聲隨之而來。我們在地球上確實沒有一個很好的類似物。”
當洞察號及其儀器聆聽這顆紅色星球的內部運行狀況時,它可能有助於揭示嗡嗡聲的根源,並揭示出這個外星世界內部的真正含義。

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