Science：火星核的地震学探测 Science：火星核的地震学探测导

Science：火星核的地震学探测
导言：2018年11月26日，洞察号（Insight）火星探测器成功着陆于火星赤道附近。本次探测任务的最大亮点是在火星表面布设了首台火震仪SEIS ，开启了人类对火星内部结构直接探测的新篇章。经过两年多的运行， SEIS记录到了数百次有效火震信号，其中震级2-4级的火震事件近50次。经过国际多个科研团队的通力合作，今年7月23日Science连续刊发了三篇文章（Khanetal.,2021;Knapmeyer-Endrunetal.,2021;Stahleretal.,2021），逐一揭秘火星壳、火星幔和火星核的神秘面纱，人们终于第一次“看到”包括火核在内的火星内部结构，对火星内部的物质组成也有了新的认识。该系列成果的发表具有里程碑式的重要意义。
类地行星核处于行星内部的最深处，是深空探测领域最为神秘的区域；同时也是类地行星能量的策源地，不仅蕴含着类地行星早期演化的重要线索，也可以通过液态铁合金的对流产生磁场，对行星表面的环境产生重要影响（Stevenson,2001;Stevenson,2008）。作为一颗与地球非常相似的行星，火星的磁场可以追溯到45亿年前，一直到35亿年左右逐渐消亡（Mittelholzetal.,2020），而这与火星早期可能存在生命密切相关（Thomas-Keprtaetal.,2001）。火星磁场如何产生，又如何消亡？火星是否曾经有过宜居环境？要回答这些重要科学问题，很大程度上依赖于人们对火星核的结构、物质组成与动力学的深入认识。
在“火星核的地震学探测”一文中， Stahler等通过对6个高信噪比火震事件波形记录的分析，成功提取出火星核上的反射地震波，确凿无疑给出火核存在的证据，并对火星液态外核半径和密度给出了迄今最为准确的约束。
研究工作的数据基础在于核幔边界反射的ScS震相的确认和拾取。 ScS波是一种横波，无法在液体中传播，当遇到液态的火星核时，核幔边界就像偏振滤波器一样，将水平向振动的入射S波向上反射，被布设在表面的SEIS火震仪记录到。由于数据的稀缺和珍贵性，作者们利用多种方法交叉验证了ScS震相。图1展示了一次高质量火震事件的波形记录，在初至到来后的~350s左右存在一个能量团，对应着ScS地震波的到来。借助于Khanetal.（2021）提供的火幔速度模型，他们把火星核的半径约束在1770-1890km的范围。
Stahleretal.（2021）进一步采用地震学建模、地球物理建模和地球动力学建模三种方法，对拾取的多种体波到时（包括ScS、P、S及PP、SS、PPP和SSS等）进行反演，得到了火星幔和火星核的纵波、横波速度随深度变化剖面（图2A）。由于后两种方法利用了矿物物理数据，其反演结果不仅具有明显更小的不确定度（图2A和图2B），而且还能对火星核的密度进行约束（图2C）。结合三种建模方法结果，并参考火星重力和卫星轨道测量数据，作者给出火星核的尺寸为1830±40km ，火星核的密度为5.7-6.3g/cm3（图2C）。

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图1火核反射的ScS波信号处理和拾取过程（Stahleretal.,2021）。（A）火震S0173a的波形记录和叠加后的包络线；（B)6个事件对应的极化滤波后的能谱图，蓝色和绿色三角分别指代利用文中的方法预测和最终拾取的ScS到时；（C）对5000种模型计算得到的ScS震相能量分布；（D)对多种模型预测的ScS到时和观测到时的差值

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图2火星幔和火星核结构（Stahleretal.,2021）。（A）反演得到的火星P波、S波速度结构；（B)计算和观测到的体波走时残差；（C）火核性质，包括和火核半径和密度分布，图中还给出火核中轻元素（如S ， O、H和C）不同占比情况下的核密度