梦境世界的奇妙之旅，这个从未有人涉足的内在世界

梦境世界的奇妙之旅，这个从未有人涉足的内在世界地球上大部分地震来自于板块运动时产生的断层，但火星并没有板块构造，它的壳层就像一整块巨大的板块。不过火星壳层仍然会因为不均匀冷却而产生断层，由此产生火星震。到目前为止，“洞察号”检测到了733次火星震，意味着这颗星球的震动活动比地球少，但仍比月球活跃。其中35次震级在3到4级之间，也正是它们让科学家能为我们揭开火星内部的神秘。图片来源：NASA/JPL-Caltech20世纪，科学家通过这种方法陆续查明了地壳、地幔和地核的结构。而现在，科学家在火星上也能做到同样的事情了。NASA研发的“洞察号”着陆器2018年在火星降落，它是第一个肩负研究这颗红色星球内部任务的探测器。“洞察号”采用了类似于“凤凰号”的结构，用太阳能板供能。探测器着陆在火星赤道以北的埃律西昂平原西部，这里阳光充足、地势地平，而且土质细腻，是安全的着陆点，也适合安放地震仪。图片来源：参考论文[1]为了满足探测需要的精度，地震

图片来源：IPGP/David Duros

行星的很多秘密都被埋藏在它们的内部。通过探测行星的内部结构，我们能探索一颗行星的起源，描绘它在亿万年漫长岁月中的演化过程。在地球上，人类通过地震波探测地球内部结构：而在火星上，“洞察号”则让我们有机会了解火星的内部组成。

就在本周，“洞察号”对火星内部结构的测定结果发表在3篇《科学》杂志论文中。利用来自“洞察号”的火星震数据，人类首次揭示了火星壳层、幔层和核心的完整结构。

如何测量

即使是在地球上，人类也无法直接触碰到地球内部深处。人类目前最深的钻井是苏联在1989年挖掘的科拉超深井，达到了12 289米深。然而，这个深度和地球6371千米的半径相比实在是相形见绌。不过，这并没有抵挡科学家探测地球内部的脚步，他们找到了了解地球内部结构的手段——地震波。当地震波穿过行星内部，它在内部的折射、反射都能揭示地球内部结构的特征。

20世纪，科学家通过这种方法陆续查明了地壳、地幔和地核的结构。而现在，科学家在火星上也能做到同样的事情了。NASA研发的“洞察号”着陆器2018年在火星降落，它是第一个肩负研究这颗红色星球内部任务的探测器。“洞察号”采用了类似于“凤凰号”的结构，用太阳能板供能。探测器着陆在火星赤道以北的埃律西昂平原西部，这里阳光充足、地势地平，而且土质细腻，是安全的着陆点，也适合安放地震仪。

图片来源：参考论文[1]

为了满足探测需要的精度，地震仪并没有集成在航天器上，而是在探测器着陆后，由探测器的机械臂像“抓娃娃”一样把它放到火星表面上，用于聆听火星震、为科学家收集来自火星内部的信号。

图片来源：NASA/JPL-Caltech

地球上大部分地震来自于板块运动时产生的断层，但火星并没有板块构造，它的壳层就像一整块巨大的板块。不过火星壳层仍然会因为不均匀冷却而产生断层，由此产生火星震。到目前为止，“洞察号”检测到了733次火星震，意味着这颗星球的震动活动比地球少，但仍比月球活跃。其中35次震级在3到4级之间，也正是它们让科学家能为我们揭开火星内部的神秘。

火星结构

接下来，就让我们从火星表面开始逐渐向核心深入，依次来看看这些研究揭示了关于火星的哪些重要信息。

第一项研究揭示了关于火星壳层的详细信息。研究团队通过“洞察号”着陆点附近的火星震记录和环境波场，得到了着陆位置附近的地壳信息。通过分析火星震波信号在地壳界面中的反射和改变，他们发现火星地壳中可能具有2或3个界面。如果第二个界面是地壳的边界，则着陆点附近的壳层厚度为20千米；如果第三个是边界，那么壳层厚度应为39千米。而火星全球的壳层厚度在24～72千米之间。

另一个团队则通过8次低频火星震的直达火星震波（P波和S波）以及界面反射波（PP波、PPP波、SS波和SSS波），分析火星内部的深层结构。他们发现火星幔层范围可以抵达火星地表以下800千米处，而火星的岩石圈覆盖范围达到地下500千米，并且和地球一样，在岩石圈之下存在一个低速层。根据他们的研究，火星幔部的放射性元素含量较多，从内部加热了整颗星球。

最后一项研究则关注了火星核心。火星液态金属核心的半径在1830千米左右，接近火星半径（3390千米）的一半。较大的核心表明火星幔层只包含一个岩石层。至于核心中间是否像地球一样拥有固态的内核，目前的数据还无法确定。火星核心的平均密度为5.8~6.2克/立方厘米，比原先估计得更轻。这说明有大量较轻的元素存在于铁镍核心中。

图片来源：参考论文[4]

对科学家来说，能得到这样的数据自然令人兴奋。更何况对他们而言，得到如此振奋人心的结论并没有花费太长时间。斯塔勒说：“人类测量地球核心花了几百年；在阿波罗登月后，测量月球核心花了40年；而‘洞察号’着陆后，测量火星核心只用了两年。”

未来的探测

根据现有数据进行分析，“洞察号”观测到的大部分较强的火星震信号都来自于同一个方向：刻耳柏洛斯堑沟群（Cerberus Fossae）。这里有足够多的火山活动，或许在最近几百万年内其地下还有岩浆流动。轨道探测器也在这片区域发现了巨石滚落山坡的痕迹。

不过令人好奇的是，在那些更知名的火山活动区域，比如拥有三座巨型火山的塔尔西斯（Tharsis），并没有检测到火星震信号。这可能是因为火星核心阻止火星震波向特定方向反射，无法到达“洞察号”，由此形成了一个无法被检测的核阴影区(core shadow)。

当然，在初步得出火星结构后，科学家们绝不会止步于此。而此时，他们最期待的就是一次大于里氏4级的火星震。“我们很想看到一次较强的地震，”NASA喷气动力实验室的马克·潘宁（Mark Panning）说，“我们必须对这些数据进行非常仔细地处理，才能得到我们想要的结果。而一次较强的火星震会让这一切简单很多。”

目前，“洞察号”的太阳能面板上已经布满了灰尘，能量供应水平正在下降。上个月，“洞察号”在当天风力最强的时候，向其太阳能板附近倒了一些沙子。飞溅出来的沙子在太阳能板上滚动时，带走了更多的灰尘，相当于用沙子对太阳能板进行了“清洁”，以此增加着陆器的能量供应。

未来的几个月，火星在轨道上朝着远日点移动，“洞察号”不得不进入休眠状态。在这期间，科学家无法第一时间获得“洞察号”的数据，但是“洞察号”放置在火星表面的地震仪仍会监听火星内部。希望在“洞察号”归来时，能给我们带来更多惊喜。

编译：王昱

审校：吴非

参考论文：

[1]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/388

[2]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/438

[3]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/434

[4]https://science.sciencemag.org/content/373/6553/443

参考链接：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-insight-reveals-the-deep-interior-of-mars

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-07/aaft-nil071921.php

https://mars.nasa.gov/news/8959/nasas-insight-mars-lander-gets-a-power-boost/?site=insight