南科大杨英杰、陈晓非在 Science发表关于流星撞击火星研究的评述文章
作者： 发布日期：2022-11-09 浏览：
2022年10月28日，南方科技大学地球与空间科学系杨英杰教授和陈晓非院士应邀在国际学术顶级期刊Science发表题为“A seismic meteor strike on Mars“的评述文章，深入评论了流星撞击火星事件以及利用撞击产生的地震波来研究火星地壳结构的研究，并对火星地震学的研究前景进行了展望。
行星的地形特征与壳幔结构记录了行星起源和演化过程的“蛛丝马迹”。为了解诸如地球、火星等行星的前世今生，科学家常用地震波来研究行星的内部结构。按照其传播方式地震波可以分为体波和面波，前者在行星内部传播，常用于行星深部圈层结构研究，后者沿着行星表面传播，多用于行星浅部结构研究。自2019年2月以来，美国航空航天局发射到火星上的洞察号探测器已记录到了1300多次火震事件。利用火震产生的体波，研究人员对火星的内部结构有了基本认识：火星拥有一个半径约1830km的核，其上部是厚达约1500km的火幔，最外面是厚度为20-70km的火壳。火星的地形特征和火壳厚度具有显著的多样性，例如火星北部主要为低洼的平原，南部主要为密集的火山口高地，这一地表形态上巨大差异的成因还令人非常困惑，解决此困惑的一个关键因素是缺乏对火星壳慢结构详细的了解。地震面波可以很好地揭示火星壳慢结构变化，对于解开火星壳幔演化的奥秘至关重要。然而一直以来，洞察号探测器记录到的火震数据中并未观测到面波信号。
图1： A：流星体撞击火星产生的火震波。 2021年12月24日，“洞察”号火星着陆器记录到了一次流星体撞击事件，撞击产生的波形中观测到了面波信号。通过对这一火震信号进行分析，研究人员得到了不同于以往的火壳结构细节信息。B：流星体撞击火星产生的陨石坑。 来自火星轨道探测器的火星地表彩色图像显示了这一撞击事件产生的陨石坑，从陨石坑向外辐射的黑色条纹是由超音速撞击产生。
近日，依托于洞察号探测器记录到的火星表面地震波数据和火星轨道探测器拍摄的火星表面彩色图片， Posiolova 等人和 Kim等人分别报道了一次较大的流星体撞击事件并首次观测到了流星体撞击激发的火星面波信号。这一发现为火星壳幔结构的探测研究指明了新的方向，本评述文章针对在同期《科学》杂志发表的这两篇报道进行了详细介绍。火星上的这一次流星撞击事件发生于2021年12月24日，撞击在火星表面留下了一个直径为150±10 m的陨石坑。信号分析显示此次撞击产生的火星地震波记录与地球上的地震记录存在明显的相似性。Posiolova等人的研究结果表明，撞击坑和“洞察”号着陆器之间的面波传播速度比“洞察”号着陆器所在位置的面波速度更快。速度差异意味着陨石坑和着陆点之间的平均火壳密度比着陆点处火壳的密度高， 此结果为火星地壳结构的变化提供了直接证据。目前，火星火壳厚度研究主要基于火星的地形和重力数据且依赖于均匀地壳密度的假设，Kim等人的研究表明在未来的地形和重力分析中必须考虑火星火壳结构在横向上的变化。因此，利用面波成像技术对火星的横向壳幔结构研究是未来火星壳幔结构研究必不可少的关键方向。
该评述文章还对如何提取火星面波信号进行火星内部结构研究的方法进行了展望。在地球上，地震学家们可以通过单台自相关的方式从气旋和海浪激发出微震信号中提取长周期面波信号。火星表面气旋同样能够激发微震信号，其包含的微弱长周期面波信号将有望利用自相关的方式获取。同时，火星上大量的火震信号中也可能包含了面波信号。尽管单个的火震事件产生的面波信号能量非常弱，但可以考虑利用多个事件的信号进行叠加来增强面波信号，进而进行火星壳幔结构更深入的研究。
虽然洞察号探测器将在2022年12月结束其观测任务，但其收集的火星地震波数据仍将源源不断地推动地震学家开发新的地震波数据处理方法并挖掘其中包含火星结构的信息。未来，随着包括中国“天问”火星探测计划在内的多项火星探测计划的展开，将会有更丰富的来自火星上的地震波观测数据，这些数据最终会揭开这颗红色星球的内部秘密，为人类更好的了解包括地球在内的行星演化提供数据基础。
杨英杰为本论文的第一作者及通讯作者，陈晓非为第二作者， 南科大为论文的唯一单位。
