氣球能測(cè)金星地震嗎

韓婷葦

2021年6月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）一口氣通過(guò)了兩項(xiàng)金星探測(cè)任務(wù)，分別是達(dá)芬奇+任務(wù)（DAVINCI+）和維塔斯任務(wù)（VERITAS）。金星這個(gè)富含酸性物質(zhì)、極度炎熱、似乎沒有生命存在的不毛之地，再次重回人們的視野。

前不久，科學(xué)家們利用氣球在地球上探測(cè)到了地震余震事件，這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)也將用于探測(cè)金星地震。很多人或許好奇，地震一般都是通過(guò)精密的地震儀來(lái)探測(cè)的，怎么會(huì)使用到氣球呢？下面我們就來(lái)了解一下這個(gè)“不靠譜”的方法。

蘇聯(lián)在金星探測(cè)初期就雄心勃勃，從20世紀(jì)50年代末開始，蘇聯(lián)就致力于設(shè)計(jì)建造一系列的金星探測(cè)器。在之后將近30年的時(shí)間里，蘇聯(lián)發(fā)射了30多顆金星探測(cè)器，其中有10次成功著陸金星表面。正是這些近距離觀測(cè)，讓我們了解到金星環(huán)境的惡劣。高溫高壓、被稠密有毒的酸性大氣所籠罩的金星，不僅不可能孕育生命，也很難讓探測(cè)器安全地進(jìn)行探測(cè)工作。

達(dá)芬奇+任務(wù)將測(cè)量金星大氣層的組成，以了解金星是如何形成和演化的，并確定這顆行星是否曾經(jīng)有過(guò)海洋。該任務(wù)包括一個(gè)下降球體，它將穿過(guò)金星厚厚的大氣層，對(duì)稀有氣體和其他元素進(jìn)行精確測(cè)量，以了解為什么金星的大氣層與地球的相比是一個(gè)失控的溫室。

維塔斯任務(wù)將繪制金星3D地形圖，還將在紅外波段觀測(cè)金星，繪制其巖石類型，分析引力場(chǎng)強(qiáng)度的變化，并確認(rèn)板塊構(gòu)造和火山活動(dòng)等是否仍在金星上活躍。它將為科學(xué)家提供金星高分辨率的地形和位置圖，為所有過(guò)去和未來(lái)收集到的表面數(shù)據(jù)提供參考。

同期，歐洲航天局（ESA）宣布了EnVision計(jì)劃。這是一個(gè)對(duì)金星特定區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)研究的軌道飛行器，以期了解金星歷史，特別是了解大氣和地質(zhì)之間的聯(lián)系。此外，俄羅斯和印度等國(guó)的航天機(jī)構(gòu)也在認(rèn)真考慮重返金星。

1982年3月1日，蘇聯(lián)的“金星13號(hào)”著陸金星。這顆探測(cè)器在金星表面上停留了127分鐘。127分鐘對(duì)于金星探測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，但這已是人造探測(cè)器在金星上工作時(shí)間的最長(zhǎng)紀(jì)錄。好在距金星地表50千米的空中，溫度和壓力比較溫和，適合氣球類探測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間工作，所以在1985年，蘇聯(lián)通過(guò)探測(cè)器在金星大氣中放飛了兩個(gè)探測(cè)性氣球。它們成功地“存活”了兩天半，直到電池耗盡，才停止記錄數(shù)據(jù)。

為何不用尖端的地震儀，而用氣球去探測(cè)地震呢？這其中最重要的原因是金星惡劣的環(huán)境。

金星的大小和地球差不多，但金星基本沒有磁場(chǎng)；雖有厚重的大氣層，但其中大多數(shù)都是二氧化碳，靠近地表的二氧化碳含量甚至可以達(dá)到99%；云層中充滿了硫酸；地表最高溫度超過(guò)460℃……金星惡劣的環(huán)境讓人類必須要依靠多種探測(cè)方式才能真正解開它的秘密。在這種情況下，軌道飛行器不是人們了解金星的唯一手段，人們選擇氣球進(jìn)行某些科學(xué)研究的理由就更加充足了。氣球可以讓傳感器處在一個(gè)比地表溫和的環(huán)境中，通過(guò)它，科研人員可以進(jìn)行一些更有意義的研究工作，比如對(duì)地震的研究。

如果想要研究一個(gè)行星的演化過(guò)程，那么就要研究行星的內(nèi)部構(gòu)造，而研究?jī)?nèi)部構(gòu)造最好的一種方法就是研究地震波。在地球上，不同的圈層以不同的方式折射地震波。地震學(xué)家通過(guò)地震或者爆炸產(chǎn)生的波形和波速來(lái)確定地下圈層的特征，甚至可以找油找礦。這些測(cè)量也還可以用于分析火山和構(gòu)造活動(dòng)。

在地球上，我們可以通過(guò)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的地震儀來(lái)進(jìn)行研究；但在金星上，我們沒有良好的科研環(huán)境，因此通過(guò)氣球來(lái)研究金星的地震活動(dòng)，可以增強(qiáng)人們對(duì)金星的認(rèn)識(shí)和理解。

氣球似乎與地震沒有關(guān)系。但事實(shí)上，通過(guò)氣球，科研人員可以觀測(cè)地震和其他地質(zhì)現(xiàn)象產(chǎn)生的低頻次聲波。

次聲波一般指頻率低于20赫茲、不可被人耳聽到的聲波。次聲波主要來(lái)源于大自然，許多地球物理現(xiàn)象以及天文現(xiàn)象都是次聲波源，如地震、火山爆發(fā)、海嘯、流星雨、隕石墜落、極光、日食、核爆炸及偶發(fā)的大型化學(xué)爆炸等。次聲波的頻率低、波長(zhǎng)長(zhǎng)，容易與建筑物、人體等產(chǎn)生共振，還能輕易繞過(guò)障礙物，可謂“無(wú)孔不入”。地震時(shí)，震中的人們能夠聽到來(lái)自地下隆隆的轟鳴聲，而夾雜其中的強(qiáng)次聲波會(huì)使人頭暈、惡心、心慌，失去逃跑能力。

地震通常會(huì)產(chǎn)生頻率低于5赫茲的次聲波，由于地震波傳播衰減小，所以次聲波傳感器能夠在數(shù)千千米以外探測(cè)到來(lái)自震中的地震次聲波信號(hào)。氣球載次聲探測(cè)器隨風(fēng)飄浮，探測(cè)的距離比地面的固定探測(cè)儀更遠(yuǎn)，范圍更廣。另外，由于大氣折射效應(yīng)，低頻聲音向上聚焦，因此氣球載次聲探測(cè)器對(duì)次聲波的探測(cè)效果也相對(duì)更好。而且，金星的大氣層比地球的厚很多，所以次聲波能更好地從地面?zhèn)鬏數(shù)娇諝庵??；诔醪焦罍y(cè)，研究人員認(rèn)為，氣球載次聲探測(cè)器能探測(cè)到金星上小至2級(jí)的地震。

探測(cè)器的飛行軌跡不確定 氣球能飛行是因?yàn)闅馇騼?nèi)部較熱的空氣比周圍較冷的空氣輕。為了加熱氣球內(nèi)的空氣，探測(cè)器表面的深色材料需要從太陽(yáng)吸收熱量，不過(guò)隨著太陽(yáng)位置的偏移，氣球內(nèi)部的空氣溫度下降，探測(cè)器的位置也會(huì)發(fā)生變化。雖然科研人員可以用定位系統(tǒng)跟蹤和定位氣球，不過(guò)前期部署工作頗為耗時(shí)，科研人員必須確保探測(cè)器朝著預(yù)期的方向飛行，并且需要對(duì)探測(cè)器的飛行軌跡模擬得非常準(zhǔn)確。

聲音源難以區(qū)分 背景噪聲可以由各種來(lái)源產(chǎn)生，包括次聲波源或者氣球本身的振蕩。例如，當(dāng)氣球漂浮時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)渦流，類似于飛機(jī)飛行產(chǎn)生的渦旋。這個(gè)渦流可以改變周圍的氣壓，并產(chǎn)生與地震壓力波相同的頻率范圍。

經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不斷嘗試，用氣球探測(cè)地震已經(jīng)在地球上成功實(shí)現(xiàn)，希望這一探測(cè)方式能早日在金星上進(jìn)行實(shí)踐。