洞察号充满惊叹的一年：450多个火星震、上千场火星风，还有神秘莫测的古老磁场

NASA洞察号着陆器在火星上的艺术概念图。在这位艺术家对洞察号火星探测器的构想中，火星的次表层（subsurface）显示在图片的下半部分，而上半部分的背景中可以看到鬼神般肆虐的沙尘暴。
图片来源：巴黎地球物理研究所/尼古拉斯•萨特（Nicolas Sarter）

美国航空航天局（NASA）的洞察号火星探测器（InSight）已经完成了它第一年的探测任务，我们对火星的认识也出现了新的变化。已有6篇相关的研究论文于2月24日发表，共同揭示了火星这颗红色星球上，地震此起彼伏、沙尘暴疯狂肆虐、电磁脉冲难以理解的活跃盛况。

这6篇论文的其中5篇发表在《自然》（Nature）杂志上。还有一篇发表在《自然•地球科学》（Nature Geoscience）上，详细介绍了洞察号探测器的着陆位点：一个名为“霍姆斯特德山谷”（Homestead Hollow）的浅陨石坑，位于火星的埃律西昂平原（Elysium Planitia，又被称为“极乐平原”）上。

洞察号是第一个深入研究火星表面以下的无人着陆探测器，用于探索火星的内部结构，全称为“运用地震调查、测地学与热传导对火星内部进行探测”（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport）。它装载的科学仪器包括一个检测火星震的地震仪、多个测量风压和气压的传感器、一个磁力计，以及一个用于获取行星温度的热流和物理特性探测仪（Heat Flow and Physical Properties Package，HP3）。

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火星剖面图，展示了洞察号着陆器研究火星震活动的场景。
图片来源：詹姆斯•塔特尔•基恩（James Tuttle Keane）/《自然•地球科学》

研究团队正努力让探测仪按计划继续深入火星表面之下，一个名为“内部结构地震测量仪”（Seismic Experiment for Interior Structure，SEIS）的超灵敏地震仪，让科学家能够“听到”数百到数千公里范围之外的多个震动事件。

地震波在传播过程中会受到所穿过物质的影响，科学家能够借助这种方式研究行星内部的结构组成。对火星的探索可以帮助团队更好地了解岩质行星（Rocky Planets）的形成方式，我们的地球也是一颗岩质行星。

地表之下

火星上的震动事件比我们预期的更为频繁，但也更为温和。到目前为止，内部结构地震测量仪已经检测到了超过450个火星震信号，其中绝大多数可能只是强度较小的震动，不同于数据噪声，这些震动可能起源于环境因素，例如风。最大的火星震震级大约为4.0级，这种级别的震动强度较小，地震波还不能够向下穿过地壳进入火星的下地幔和地核。洞察号的首席研究员、来自喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的布鲁斯•班纳特（Bruce Banerdt）表示，在研究行星的内部结构时，它们是“苹果中最美味的部分”。

科学家已经为更多的火星震事件做好了准备：在2018年11月洞察号登陆火星后，他们用了好几个月的时间才记录到第一次火星震事件；而到了2019年年底的时候，内部结构地震测量仪大约每天都能检测到2个地震信号，这或许表明洞察号恰好在一个特别“安静”的时间段里登陆了火星。科学家仍然在期盼中等待着一个“大号火星震”。

火星不具备像地球这样的板块构造，但确实可能有着会引起震动的活跃火山区。数据显示，有2次大型地震与科柏洛斯槽沟（Cerberus Fossae）这样一个地区有很强的联系，科学家在那里观察到了一些巨石，可能是从悬崖上被震掉下来的。在科柏洛斯槽沟，古时候的洪水冲刷出了将近800英里（约1 300公里）长的河道，而后，在过去的一千万年里（对于地质时间来说也就是一个转瞬），熔岩流渗入到了这些河道里。

其中一些比较“年轻”的熔岩流展示了一些被火星震破坏的迹象，这些火星震发生的时间在不到200万年前。喷气推进实验室的行星地质学家马特•哥伦贝克（Matt Golombek）说：“这只是火星上最近期的地壳构造特征，在这一地区能够看到震动的迹象不足为奇，但却令人振奋。”

目前为止NASA洞察号发现的2次最大的地震，似乎起源于火星上一个名为科柏洛斯槽沟的地区。此前，科学家在这片区域发现了地壳活动的迹象，例如山体滑坡。上面这张照片是由NASA火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaisance Orbiter）上的高分辨率成像科学实验（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）相机拍摄的。
图片来源：NASA / 喷气推进实验室-加州理工/亚利桑那大学（University of Arizona）

地表之中

数十亿年前，火星像地球一样拥有自己的磁场，如今它已不复存在，但却留下了些许的“磁残存”，现在的火星，地表之下61米至好几千米范围内的古老岩石具仍有一定的磁性。洞察号上装载了一个磁力计，这也是火星表面上第一个能检测磁信号的科学仪器。

洞察号上磁力计探测到的数据显示，霍姆斯特德山谷处的磁信号比绕轨飞行探测器的数据预测值要强上10倍。当然，轨道飞行器的测量值是数百千米范围的平均值，而洞察号的测量值则对应着更小的区域，也就更为精确。

由于洞察号在火星的着陆位置，大多数的表层岩石历史还不够悠久，没有被火星曾经的磁场磁化，因此，行星科学家凯瑟琳•约翰逊（Catherine Johnson）表示：“探测到的磁场一定来自于地表之下的古老岩石，我们正尝试将这些数据与地震学和地质学中获得的信息结合起来，对洞察号下方的磁化层进行探究，弄明白这种磁场需要达到多大的强度、距离地表多深才能被我们探测到。”约翰逊就职于不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）和行星科学研究所（Planetary Science Institute，全球最大的非政府性质行星科学家雇主单位）。

此外，科学家还想弄清楚这些磁信号是如何随时间而变化的，现有的数据显示，白天和晚上的测量值会有所不同，在夜里零点前后还会有突然的起伏。科学家仍在完善引发这种变化的相关理论，其中一种可能性是，它们或许与太阳风（solar wind）与火星大气间的相互作用有关。

深入旋风

洞察号几乎一直都在对风速、风向和气压进行持续的测量，比此前着陆任务提供的数据都要多。洞察号的天气传感器已经检测到了数千个呼啸而过的旋风，当这些旋风裹挟着砂砾、外形变得可见时，它们就被称为沙尘暴。巴黎索邦大学（Sorbonne University）的大气科学家艾默里克•斯皮加（Aymeric Spiga）说：“这个地方的旋风数量非常多，比任何其他装载了气象传感器的火星着陆器的着陆点都要多。”

虽然对火星风的测量从未停过，相关的成像也常常进行，但洞察号上的相机至今仍未捕捉到沙尘暴的真身。实际上，内部结构地震测量仪是可以感受到这些旋风的，就像是一个巨型吸尘器在表面上吸动拉扯。内部结构地震测量仪的首席研究员、来自巴黎地球物理研究所（Institut de Physique du Globe de Paris，IPGP）的菲利普•洛尼奥内（Philippe Lognonné）说：“旋风非常适合进行次表层的地震勘探。”

火星地核：探索仍在继续

洞察号有两台无线电设备：一台用于定期发送和接收数据，另一台功能更为强大的则用于测量火星自转时的“摆动”。这台X波段的无线电设备也被称作“自转与内部结构实验装置”（Rotation and Interior Structure Experiment，RISE），最终将能揭示火星的内核究竟是固态的还是液态的，固态内核带来的自转摆动将会少于液态内核。

第一年的数据仅仅只是个开始，对火星的观测满一个火星年（Martian year，大约两个地球年）后，科学家将能更好地了解火星自转摆动的幅度和速度。

关于洞察号

喷气推进实验室是帕萨迪纳市加州理工学院（California Institute of Technology，Caltech）的一个部门，负责为NASA科学任务理事会（Science Mission Directorate）管理洞察号任务。洞察号是NASA发现计划（Discovery Program）的一部分，由NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）负责管理。洞察号探测器由位于丹佛的洛克希德•马丁太空公司（Lockheed Martin Space）制造，包括探测器的巡航段（cruise stage）和着陆器（lander），该公司还为飞行任务提供了支持。

包括法国国家空间中心（Centre National d’Études Spatiales，CNES）、德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）和英国航天局（United Kingdom Space Agency，UKSA）在内的许多欧洲合作伙伴，都在为洞察者号火星任务提供支持。CNES向NASA提供了内部结构地震测量仪（SEIS），主要研究人员来自巴黎地球物理学院（Institut de Physique du Globe de Paris，IPGP）。对SEIS的重大贡献来自IPGP、德国马克斯普朗克太阳系研究所（Max Planck Institute for Solar System Research，MPS）、瑞士联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology，即苏黎世联邦理工学院，ETH Zurich）、伦敦帝国理工学院（Imperial College London），以及英国牛津大学（Oxford University）和喷气推进实验室。DLR提供了热流和物理特性探测仪（HP3），波兰科学院（Polish Academy of Sciences）的空间研究中心（Space Research Center，CBK）和波兰的Astronika公司则为此作出了重要的贡献。温度和风力传感器由西班牙天体生物学中心（Centro de Astrobiología，CAB）提供。

参考来源：

[1] https://www.nasa.gov/feature/jpl/a-year-of-surprising-science-from-nasas-insight-mars-mission
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/InSight
[3] http://nature.com/articles/s41561-020-0544-y
[4] http://nature.com/articles/s41561-020-0537-x
[5] http://nature.com/articles/s41561-020-0534-0
[6] http://nature.com/articles/s41561-020-0539-8
[7] http://nature.com/articles/s41561-020-0536-y