為了探測地震，科學家計劃在金星上放飛氣球

今年10月，一隻載有三個次聲探測器的氣球從美國新墨西哥州的索科羅升空。氣球在海拔20千米處探測到了風力發電機的聲音，這是自冷戰以來首次在平流層探測到人類活動的聲音。

撰文 | David Ehrenstein

翻譯 | 馬一瑗

審校 | 吳非

氣球乍看上去，似乎與地震扯不上關係。但事實上，要觀測地震和其他地質現象產生的低頻次聲波，最佳地點是高海拔處，這就需要使用氣球了。在華盛頓的美國地球物理聯會（AGU）上，研究人員就這項技術的廣泛應用前景，包括對海洋現象和金星地震的探測，展開了討論。

地震通常會產生頻率低於5赫茲的次聲波，這些次聲波可以傳播上百千米。次聲探測器與其他傳統地震探測器一起，構成了核試驗的監測系統。然而在地表，次聲探測器要探測的地震、火山活動和海洋次聲波等信號常常被風雜訊掩蓋。

氣球載次聲探測器隨風飄浮，因此幾乎不受風聲干擾。除此之外，它們能夠探測的距離比地面儀器更遠，還能夠探索海洋等新環境。由於大氣折射效應將低頻聲音向上聚焦，它們對次聲波的探測效果也更好。

美國軍方曾在上世紀50~60年代研究過氣球載次聲探測器，以便監測蘇聯核試驗。但是直到2013年，北卡羅來納大學教堂山分校的火山地震學家Jonathan Lees和他當時的研究生Daniel Bowman才再次開始測試這項技術。研究小組探測到了大量非地震信號，其中大部分是他們無法識別的。他們意識到，這項技術可能打開科學的寶庫。

在AGU會議上，Lees和Bowman（現任職於新墨西哥州的桑迪亞國家實驗室）及其同事展示了兩幅海報，其中一幅展示了他們先前通過次聲頻譜識別出的雷聲、海洋次聲波和一顆流星的數據，以及10月份于海拔20千米處探測到的來自風力發電機的微弱信號。鮑曼認為這些數據是自50多年前的軍方研究以來「人類首次在平流層探測到的人類活動聲音」。

海報還展示了一隻氣球飛行一天可採集的多種信號，其中大多數都無法識別。 「我們不知道這些信號是什麼，」 Lees說，「這可真令人激動，因為有許多東西可供研究。」

另一幅海報展示了美國航天局噴氣推進實驗室（JPL）的Attila Komjathy小組的研究進展，他們的目標是向金星大氣層發射次聲探測氣球。人們對於金星的內部結構知之甚少，而金星的地表溫度可達460℃，這限制了地震儀的應用。不過，如果人們在金星上釋放一顆氣球，它在金星上空60千米處經歷的溫度和壓力類似於地球，且金星著名的厚大氣層使得地表震動比在地球上更易轉化為次聲。

「假設某一地震信號同時存在於地球和金星上，那麼如果我們能在地球上探測到它，在金星上就也可以。」JPL團隊成員Siddharth Krishnamoorthy說。但目前為止氣球還未監測過自然地震。氣球最近一次探測記錄是在2017年，由內華達州帕倫普一件13噸重物快速落下引發的一連串弱震，氣球在距其300米處探測到了次聲波。

Komjathy及同事結合氣球上的兩個氣壓計數據，以及氣球隨風飄動的多個位置信息，開發了一種新的震源定位技術。該團隊正在開發升級版的定位技術，這項技術將使用一個氣壓計和加速度計，從而測量聲脈衝導致的氣球瞬間移動。

接下來，研究小組將在地下300米處的內華達州國家安全中心模擬一場里氏2.5級的地震。他們希望用漂浮於1千米外的氣球探測次聲波，並通過次聲波追蹤從被拴住的氣球下方經過的地震波。

不久後，Komjathy及其同事將開展一項持續幾個月的計劃，每天在地震易發區俄克拉荷馬州上空放飛多個氣球來探測自然地震。初步計算顯示，這項研究每周將探測到一次以上的地震，並為該小組模擬金星地震提供數據。

一旦在金星上空成功放飛氣球，研究者們面臨的將是解讀金星次聲數據的挑戰。Lees猜測這項工作會耗費「地質學家50年的工作量」。

https://physics.aps.org/articles/v11/132?tdsourcetag=s_pcqq_aiomsg

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