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火星的內部結構究竟是怎樣的?
過去,對火星探測器“洞察號”(InSight)部署的地震儀探測到的火震數據進行的分析,已經揭示了火星最外層固體巖石層(地殼和地幔)的結構。此外,研究人員還測量了火星金屬核的大小,發現它至少部分是液態的。然而,關于火星更深層內部結構的整體圖像,仍未完全揭開。
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(圖/“洞察號”提供的地震數據首次揭示了火星固態內核的存在。)
現在,在一項于近期發表在《自然》雜志上的研究中,中國科學技術大學的科學家利用“洞察號”任務獲取的火震數據進行了進一步分析,證實了這顆紅色星球存在一個堅實的固態內核。
追蹤地震波
在新的研究中,研究人員利用“洞察號”探測到的震相,繪制了火星核心的結構示意圖。在所有穿過火星核心的震相中,他們重點分析了兩種:P’P’波和PKKP波。
這兩類都是由“火震”產生的P波,它們從震源出發,穿過火星的地殼和地幔進入地核。不同之處在于,P’P’波會穿過地核,到達火星另一側的表面后反射回來;而PKKP波則是在核-幔邊界發生反射。
如果火星存在一個固態內核,還會出現第三種震相——PKiKP波,它是由P波在外核與內核的邊界反射所產生的。
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當地震波在行星內部傳播時,遇到性質不同的層面會部分在邊界反射,部分折射進入下一層。這意味著一束地震波可以分裂成多個信號,這些信號被稱為“震相”。(圖/Nature)
固態內核的證據
這次,研究人員利用了“洞察號”觀測到的23次火震數據,識別出了深入傳播到火星核心最深處的P波震相。
分析結果顯示,他們觀測到的地震波與理論預測的P’P’震相和PKKP震相的性質一致。值得注意的是,實際探測到的PKKP波,比假設核心是完全液態時預計的到達時間提前了50~200 秒——這是符合物理規律的,因為P波在固體中比在液體中傳播得更快。這一顯著提前的抵達時間表明,火星核心在靠近中心的部分具有更高的波速,暗示那里存在固態內核。
此外,研究人員還探測到了PKiKP震相的地震波,這一信號為火星存在固態內核提供了直接證據。與此同時,研究人員還進一步在單個火震事件的地震記錄中,識別出了這些波相。
根據所測地震波的傳播時間和振幅,研究人員進行了“反演分析”,以推斷出最能解釋這些數據的火星內部結構。他們發現,火星的固態內核半徑約為613千米,約占火星半徑的18%。分析還顯示,在外核與內核之間,火星的密度增加約7%,P波速度提高了約30%。
意義與展望
由于這項分析僅依賴于少數幾次具有足夠的信號幅度、能夠與背景噪聲區分開的火震事件,因此這些核心參數仍存在一定的不確定性。
盡管如此,這些結果依然為理解火星的內部結構和演化提供了重要的科學啟示。它為我們理解火星內部的溫度分布和化學成分提供了重要線索。更有意思的是,它還把火星過去磁場的興衰,與內核的形成聯系了起來。
磁場是由行星內部的“天然發電機”驅動的,而火星的經歷或許能幫助我們理解:為什么有些行星能維持磁場,保護大氣與水源,孕育出適宜生命的環境,而另一些行星卻失去了這一切。
#參考來源:
https://theconversation.com/mars-has-a-solid-inner-core-resolving-a-longstanding-planetary-mystery-new-study-264325
https://www.nature.com/articles/d41586-025-02530-w
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09361-9
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf2966
#圖片來源:
封面圖&首圖:JPL-Caltech
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