美国宇航局“天晴”气球探测到加州地震——下一站,金星?

在加利福尼亚州里奇克莱斯特附近飞行的向日葵气球

2019年7月,加利福尼亚州里奇克莱斯特发生了一系列地震,4个“向天红”气球在该地区附近飞行。通过在气球上安装气压计,喷气推进实验室和加州理工学院的研究人员希望能探测到其中一个余震的声音。来源:美国国家航空航天局/姓名

这项技术是用来探测金星地震的。一项新的研究详细说明了2019年,该机构是如何首次通过气球探测到离家更近的地震的。

2019年7月4日至7月6日之间,加利福尼亚州Ridgecrest附近的一系列强大的地震繁多的地震,在六周内触发了10,000多个余震。看到机会,美国宇航局的喷气式推进实验室和卡特克飞行仪器的研究人员在该地区附着在高空气球上的仪器,希望能够使第一个气球传播的自然发生的地震检测。他们的目标:测试金星的未来应用技术,其中配备科学仪器的气球可以漂浮在地球上以上的极度居住的表面。

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)探测到了地面余震引起的低频声波。

气球与太阳下降像黄昏

当被太阳加热时,这些气球就会上升到大气中;黄昏时分,他们下山了。2019年7月22日,其中一个气球在一次飞行中升空时记录了余震产生的低频声波。来源:美国国家航空航天局/姓名

在他们于2021年6月20日发表的新研究中《地球物理研究快报,气球背后的团队描述了一种类似的技术如何帮助揭示金星最深处的奥秘,那里的表面温度高到足以熔化铅,大气压力高到足以压碎一艘潜艇。

行星隆隆地

大约是地球的大小,金星被认为在不断发展到一个非常不同的地方,这曾经更具热情地位,这与我们可居住的世界不同。科学家不确定为什么会发生这种情况。

了解岩质行星是如何进化的一个关键方法是研究其内部,而最好的方法之一就是测量其表面下反弹的地震波。在地球上,不同的材料和结构以不同的方式折射这些地下波。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层的特征,甚至可以精确定位液体的储层,如油或水。这些测量也可以用来探测火山和构造活动。

Heliotrope气球喷气推进实验室和加州理工学院的研究人员

JPL和CALTECH研究人员将继续在地震活动区域上飞行气球,以更好地了解地震在地球上产生的基础,所以这项技术可能会在对维纳斯的任务期间应用一天。来源:美国国家航空航天局/姓名

“Much of our understanding about Earth’s interior – how it cools and its relationship to the surface, where life resides – comes from the analysis of seismic waves that traverse regions as deep as Earth’s inner core,” said Jennifer M. Jackson, the William E. Leonhard Professor of Mineral Physics at Caltech’s Seismological Laboratory and a study co-author. “Tens of thousands of ground-based seismometers populate spatially-dense or permanent networks, enabling this possibility on Earth. We don’t have this luxury on other planetary bodies, particularly on Venus. Observations of seismic activity there would strengthen our understanding of rocky planets, but Venus’ extreme environment requires us to investigate novel detection techniques.”

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,信息从地下被翻译到大气中。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。

如果这可以在金星可以实现,科学家们将找到一种方法来研究地球的神秘内部,而无需在其极端表面上落地任何硬件。

Ridgecrest地震

在余震之后2019 Ridgecrest地震序列,JPL的Attila Komathy和他的同事通过释放两个“Heliotrope”气球来领导竞选活动。基于由学习合作开发的设计开发的桑迪亚国家实验室丹尼尔·鲍曼,新墨西哥的桑迪纳,气球在太阳加热时升到约11至15英里(18至24公里)的海拔地区,并返回地面黄昏。当气球漂移时,它们在该区域上对空气压力的变化进行了测量的变化,而余震的微弱声学振动穿过空气。

“Trying to detect naturally occurring earthquakes from balloons is a challenge, and when you first look at the data, you can feel disappointed, as most low-magnitude quakes don’t produce strong sound waves in the atmosphere,” said Quentin Brissaud, a seismologist at Caltech’s Seismological Laboratory and the Norwegian Seismic Array (NORSAR) in Oslo, Norway. “All kinds of environmental noise is detected; even the balloons themselves generate noise.”

准备飞行的天蓝色气球

其中一个“天冬”气球正在准备在2019年Ridgecrest地震序列之后不久飞行。这些气球从加州的莫哈韦沙漠发射升空,并在该地区上空漂浮。来源:美国国家航空航天局/姓名

在之前的测试中,研究人员检测到了地震锤(落到地面的重物)产生的地震波的声波信号,以及在系住的气球下面地面引爆的炸药。但研究人员能在自然地震上用自由漂浮的气球做同样的事情吗?其中最主要的挑战是:甚至在气球升空的时候,也无法保证会发生地震。

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)外发生了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,探测到低频声学振动——一种低于人类听觉阈值的声波,称为次声——掠过气球。通过与计算机模型和模拟的分析和比较,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。

“因为南加州有如此密集的地震仪地面站网络,我们能够得到关于地震发生时间和地点的‘地面真相’,”该研究的主要作者布里索德说。“我们探测到的地震波与附近的地面站密切相关,与模型数据相比,这使我们确信——我们听到了地震。”

研究人员将继续在地震活跃地区上空放飞气球,以更加熟悉与这些事件相关的次声信号。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。

从加利福尼亚到金星

向金星发射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维加任务气球,将数据传输了46个多小时。两人都没有携带探测地震活动的仪器。现在,这项研究表明,在金星上探测次声的技术也是可能的。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。

“The acoustic coupling of quakes into the atmosphere is calculated to be 60 times stronger on Venus than on Earth, meaning it should be easier to detect venusquakes from the cool layers of Venus’ atmosphere between 50 to 60 kilometers [about 31 to 37 miles] in altitude,” said JPL technologist Siddharth Krishnamoorthy, principal investigator of the analysis effort. “We should be able to detect venusquakes, volcanic processes, and outgassing events while characterizing the levels of activity.”

Krishnamoorthy对在金星上放飞气球最感兴趣的是,科学家可以利用气球在那些根据卫星观测看起来应该是地震活跃地区上空漂浮,并找出它们是否真的是地震活跃地区。“如果我们在一个热点上空漂移,或者从轨道上看像火山的地方,气球将能够通过听声音来判断它是否像陆地火山,”克里希纳莫莫西说,他也是Ridgecrest气球运动的技术负责人。“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将继续前进两个任务该机构最近选择在2028年至2030年前往金星:VERITAS将研究金星的表面和内部,而DAVINCI+将研究其大气。欧洲航天局也宣布了自己的金星任务,设想.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。

参考:Quentin Brissaud, Siddharth Krishnamoorthy, Jennifer M. Jackson, Daniel C. Bowman, Attila Komjathy, James a . Cutts, Zhan Zhongwen, Michael T. Pauken, Jacob S. Izraelevitz, Gerald J. Walsh, 2021年5月20日,《利用气球的声学特征首次探测地震》《地球物理研究快报
gl093013 DOI: 10.1029/2021

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