洞察號發現火星內部結構和地球差異很大

美國太空總署洞察號（InSight）任務的國際團隊利用法國開發的甚寬帶（Very Broad Band）地震儀在火星上探測到大約十二次地震獲得的數據，揭開火星內部的結構。首次對由火星內部界面反射和修改的地震波進行分析，估計行星核心的大小、地殼的厚度和地幔的結構。這是對地球以外類地行星內部結構的首次地震勘探，也是了解火星形成和熱演化的重要一步。

在美國太空總署洞察號任務之前，對火星的內部結構所知甚少。模型僅基於探測衛星收集的數據以及對墜落地球的火星隕石的分析。根據重力和地形數據，地殼的厚度估計在三十至一百公里之間。火星的慣性矩（moment of inertia）和密度值顯示它的核心半徑為一千四百至二千公里。然而，火星的詳細內部結構以及地殼、地幔和地核之間的邊界深度完全未知。

隨著甚寬帶地震儀實驗於2019年初在火星表面成功部署，任務科學家，包括眾多法國機構和實驗室，以及來自蘇黎世聯邦理工學院的團隊，科隆大學和美國噴射推進實驗室收集並分析一個火星年（近兩個地球年）的地震數據。

需要指出，要同時確定一個結構模型、地震到達的時間及其距離，通常需要一個以上的觀測站。然而，在火星上，科學家只有一個洞察號觀測站。因此，有必要在地震記錄中搜索以各種方式與火星內部結構相互作用的地震波特徵，並對其進行識別和驗證。這些新的測量值，再加上對行星內部結構的礦物學和熱學建立模型，克服只有一個觀測站的局限性。這種方法開創了行星地震學的新時代。

火星上的另一個困難是它的低地震活動和大氣產生的地震噪音。在地球上，地震要強得多，而地震儀更有效地位於震央的拱頂或地下，從而可以獲得行星內部的準確圖像。雖然火星地震的震級相對較低，小於3.5級，但非常高靈敏度的傳感器加上黃昏時非常低的噪音，使科學家能夠發現兩年前原本認為只有大於4級地震才能分辨成為可能。

通過比較地震波在到達洞察號之前穿過地殼時的行為，確定火星地殼中的幾個不連續性的特徵：第一個在大約十公里的深度處觀察到，標誌著一個高度改變結構之間的邊界，由很久以前的流體循環，而地殼只是略有改變。向下約二十公里處的第二個不連續性，以及約三十五公里處的第三個不那麼明顯的不連續性，顯示洞察號下方地殼的分層。為了識別這些不連續性，科學家使用了所有最新的分析方法，兩者的地震均為構造起源和環境引起的振動（地震噪聲）。

在地幔中，科學家分析了地震期間直接產生波的傳播時間與這些直接波由地表反射時產生的波傳播時間之間的差異。這些差異使到僅使用一個觀測站就可以確定地幔的結構，特別是地震速度隨深度的變化。然而，這種速度變化與溫度有關。這意味著我們可以估計火星的熱流，它可能是地球熱流的三分之一到五分之一，並對火星地殼的成分進行限制，研究發現，火星地殼中含有超過一半的發熱放射性元素。

最後，科學家尋找從火星核心表面反射的波，它的半徑測量是洞察號任務的主要成就之一。為了做到這一點，科學家根據觀察到的相位和訊號測試了數千個地幔和地核模型。”儘管與反射波相關的訊號幅度較低，但觀察到半徑在1,790公里至1,870公里之間的岩心能量過剩。如此大的尺寸意味著液體核心中存在輕元素，並對地幔/核心界面處的地幔礦物學產生重大影響。

兩年多的地震監測產生火星內部結構的第一個一直到地核的模型。正如行星探索中經常發生的那樣，新的問題出現了：火星地殼頂部十公里的變化是普遍的，還是僅限於洞察號登陸地區？這些最初的模型對火星的形成和熱演化理論產生什麼影響，尤其是在火星表面存在液態水和火山活動強烈的五億年前？

隨著洞察號任務延長兩年，以及美國噴射推進實驗室成功遙控洞察號清潔太陽能電池板上的灰塵後獲得的額外電力，新數據應該會鞏固並進一步改進這些模型。

【圖：巴黎地球物理研究所；文：節譯自法國國家科學研究中心2021年7月22日新聞公佈】三份研究論文將會刊登在2021年7月23日出版的《科學》期刊
它們分別是：
1. Thickness and structure of the martian crust from InSight seismic data
2. Seismic detection of the Martian core
3. Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data