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【惊奇】为了监测地震,他们往天上放了个气球?

近日,在美国内华达州帕朗附近的寂静沙漠中,研究人员启动了一场人工地震。它引发了地面空气震动,虽然后者表现得没有那么明显。

这使美国宇航局(NASA)科学家得以聆听在头顶飘浮的气球产生的振荡。如果该技术可被转移到金星上,科学家或能首次探测那里的地震。这将为了解地球姊妹行星的内部构造及其为何进化和同地球如此不同提供重要线索。

“我们从未在金星上进行直接的地震测量。”NASA喷气推进实验室(以下简称“JPL”)试验团队成员Siddharth Krishnamoorthy表示,“从破解关于这颗行星的一些重要问题的角度来说,气球能提供很多东西。”

在2018年12月19日的测试中,美国能源署研究人员在约300米深的地面启动了一场50吨的化学爆炸,以产生3~4级地震。研究人员还在该区域上空放飞两个充满氦气的气球,其中一个被拴住,另一个自由飘浮。不过,两个气球均在离地面几百米的高空飘浮。它们携带着气压计,来测量大气压的变化并且探测地震次声波。

类似装置或许有一天能在金星大气中高高飘浮。

为何要使用气球?

在金星表面,状况非常恶劣:金星的地表温度可达460℃,温度高到足以将铅熔化,这限制了地震仪的应用;同时压力大到足以摧毁潜艇。对于任何着陆器来说,都难以幸存足够长的时间来探测地震。

不过,在距地面50千米的空中,温度和压力非常温和,适合气球长时间工作。1985年,苏联在这层大气中放飞了两个气球。它们在此成功地“存活”了两天半,并且直到电池耗尽,才停止记录数据。

高空如何监测地震?

气球乍看上去,似乎与地震扯不上关系。但事实上,要观测地震和其他地质现象产生的低频次声波,最佳地点是高海拔处,这就需要使用气球了。

地震通常会产生频率低于5赫兹次声波,这些次声波可以传播上百千米。次声探测器与其他传统地震探测器一起,构成了核试验的监测系统。然而在地表,次声探测器要探测的地震、火山活动和海洋次声波等信号常常被风噪声掩盖。

气球载次声探测器随风飘浮,因此几乎不受风声干扰。除此之外,它们能够探测的距离比地面仪器更远,还能够探索海洋等新环境。由于大气折射效应将低频声音向上聚焦,它们对次声波的探测效果也更好。

而且金星的大气层比地球厚很多:声波能更好、更容易地从地面传输到空气中。基于初步估测,研究人员认为,气球能探测到金星上小至2级的地震。

JPL团队中的成员Komjathy及同事结合气球上的两个气压计数据,以及气球随风飘动的多个位置信息,开发了一种新的震源定位技术。该团队正在开发升级版的定位技术,这项技术将使用一个气压计和加速度计,从而测量声脉冲导致的气球瞬间移动。

今年10月,一只载有三个次声探测器的气球从美国新墨西哥州的索科罗升空。气球在海拔20千米处探测到了风力发电机的声音,这是自冷战以来首次在平流层探测到人类活动的声音。

Krishnamoorthy表示,他和同事目前正试图在更远距离内探测更强震源,以便更好地将地震特征同环境噪声区分开。“假设某一地震信号同时存在于地球和金星上,那么如果我们能在地球上探测到它,在金星上就也可以。”Krishnamoorthy说。

该团队下一步计划在俄克拉何马州放飞气球。近年来,那里发生了上百次由石油和天然气活动引起的地震。这或许能使该团队探测到来自更深地下的震动。

一旦在金星上空成功放飞气球,研究者们面临的将是解读金星次声数据的挑战。火山地震学家Lees猜测这项工作会耗费“地质学家50年的工作量”。