Lehetséges-e a marsrengések megfigyelése egyetlen szeizmométerrel?
- Részletek
- Találatok: 1023
A szeizmológia egy olyan tudomány, amely mérőállomások megfigyeléseire épül
A Földet jelenleg több mint 20 000 szeizmométer hálózata borítja, amelyek hatalmas pókhálót képeznek a földgömbön, és lehetővé teszik, hogy egy földrengés jellemzői csaknem azonnal meghatározhatók legyenek, azok méretétől és a kipattanási helyétől szinte függetlenül. A hálózatok révén a tudósok közvetlenül hozzáférhetnek az adatokhoz, ami jelentősen megkönnyíti a geofizikusok közötti kapcsolatot világszerte.
A Föld belső szerkezetének néhány nagy szeizmológiai felfedezése azonban kevés mérőállomás segítségével történt. Richard Dixon Oldham 1906-ban a Föld magját csupán14 földrengés adatai alapján fedezte fel, melyeket csak néhány tucat állomás regisztrált. Az állomáshálózat telepítése azonban elkerülhetetlen! Például egy rengés mélységének és epicentrumának meghatározásához legalább három szeizmométer szükséges.
A háromszögelés elve a földrengés epicentrumának megtalálására: © IPGP / David Ducros
Egyetlen állomásra épülő szeizmológia
A Mars úgy tűnik, hogy egy olyan égitest, amely szeizmikus tanulmányozásra kevés eseményt ígér. A Földön a rengések túlnyomó többsége a lemeztektonikához kapcsolódik. Lemeztektonika azonban nincs a Marson, ezért arra számítunk, hogy a bolygó a szeizmikus aktivitása körülbelül 100-szor kisebb lesz, mint a Földé. Azaz a marsrengések kisebbek lesznek és a számuk is sokkal kevesebb lesz, mint a földrengéseké. A Mars belsejének titkait megfejteni hatalmas erejű marsrengésekkel lehetne!
Optimálisan a geofizikusok arra számítanak, hogy sikerül megfigyelni néhány 5-ös vagy 6-os magnitúdójú rengést a Marson egy év alatt (ami két év a Földön). A Földön kb. 1500 M≥5 földrengéses van évente.
Másfelől a Mars sokkal csendesebb bolygó, mint a Föld: nincs sem emberi tevékenység, nincs az óceán hullámai által keltett zaj sem. A légköri mozgás nyilvánvalóan zavaró lesz, de a növényzet hiánya miatt nincsenek olyan fák, amik a szél erejét a felszínre továbbítanák. Ez a csend valóságos áldás, amikor egy nagyon kicsi rengésről van szó, feltéve természetesen, hogy a rendelkezésre álló eszköz elég érzékeny, de a SEIS az!
A marsrengés kipattanási helye és mérete
Tegyük fel, hogy keletkezik egy rengés a Marson, és egyetlen felszíni állomás (SEIS) alapján szeretnénk meghatározni a kipattanási helyét. Hogyan lehetséges ez? Az epicentrum (vagyis az a pont a felszínen, amely közvetlenül a hipocentrum felett helyezkedik el (ahol a rengés kipattant) és az állomás (azaz InSight) közötti távolság könnyen kiszámítható a P-hullámok (amelyek először érkeznek a szeizmométerre) és az S-hullámok beérkezési időkülönbsége alapján (amelyek másodpercekkel később érkeznek be). A hiba itt csak körülbelül 10%.
Az epicentrum megtalálásához nem csak a rengés távolságát kell meghatároznunk az állomásról, hanem annak irányát is, azaz az "azimutját". A szeizmikus hullámok beérkezési irányát a SEIS szeizmikus jelei alapján meg tudjuk határozni, mert mindhárom térbeli irányban mér. A szeizmométer 2 vízszintes komponensének a segítségével az irány 10°-on belüli pontossággal kiszámítható.
Végül a rengés mérete – azaz a felszabadult energia mennyiségének mérése – meghatározható a talajelmozdulás amplitúdójának mérésével, figyelembe véve a rengés forrása és a szeizmométer közötti távolságot, tudva, hogy a szeizmikus hullámok a bolygó belsejében vagy a felszínen haladva, mindig csillapodnak.
Bár nehéz lesz megtalálni a kis rengések helyét, a SEIS mindazonáltal olyan adatokat szolgáltat, amelyek lehetővé teszik, hogy a rengést egy adott marsi régióhoz kapcsoljuk, és ez által összefüggésbe hozható legyen a felszínen látható geológiai struktúrákkal (pl. vetők vagy vulkánok), valamint a nagyobb méretű geofizikai jellemzőkkel.
Annak érdekében, hogy elegendően nagy rengést találjunk Marson, az InSight missziónak más trükkök is vannak a tarsolyában. A Mars átmérője a földi fele, amely a rengések megfigyelésénél előnyös. Mivel a kerülete kisebb, a szeizmikus hullámok kevésbé távolodnak el a kiindulási ponttól (vagyis a hipocentrumból). A rövidebb terjedési távolságokkal a csillapítás is csökken, mivel kevesebb energiát veszít el rengéshullám.
Ha a rengés elegendő energiával rendelkezik (M>4,5), a felületi hullámok többször is, és több irányból elérik az InSight leszállóhelyet, mielőtt a gyengülés miatt végleg eltűnnek. A Földön legalább M=6-os rengés szükséges ahhoz, hogy egy ilyen jelenség megfigyelhető legyen, azaz nagyjából egy nagyságrenddel nagyobb. Más szóval, a Földön lévő rengés több mint 40-szor annyi energiát szabadít fel, mint ami a Marson kell ahhoz, hogy az képes legyen olyan felszíni hullámokat generálni, amelyek képesek az egész bolygót körbefutni.
Itt Ön is megnézheti, hogy egy kiválasztott meteor becsapódási hely esetében mikor érkeznek be az R1, R2, R3 felületi hullámok, és ezek alapján mekkora azok terjedési sebessége: http://spacemath.github.io/mars-surface-waves/
A fenti ábra a felszíni hullámok terjedését mutatja a marsi rengésekre. A felszíni hullámok, amelyek a rengésből az InSight felé haladnak, és amelyek elsőként eljutnak a szeizmométerhez, R1 néven ismertek. A hullámok, amelyek az ellenkező irányba haladnak a bolygó körül, és amelyek nagyobb távolságra vannak, másodszorra érkeznek be; ezek R2-ként ismertek. Végül, ha a rengés elegendő energiával rendelkezik (M>4,5), akkor az R1 hullámok – miután egyszer átmentek az állomáson – képesek lesznek ismét körbefutni a bolygót, így másodszor is elérik a SEIS-t: ezek az R3 hullámok.
E forgatókönyv szerint az InSight mérőállomást a rengés forrásától elválasztó távolságot az R1, R2 és R3 hullámok beérkezési idejéből és a bolygó felszínén való terjedési átlagsebességből tudjuk meghatározni. Mint korábban láttuk, az azimutot (a földrengés irányát) a szeizmométer vízszintes komponensei által rögzített jelekből becsülhetjük. A M=4,5-es vagy annál nagyobb méretű rengések viszonylag ritkák a Marson, de a geofizikusok úgy vélik, hogy a misszió időtartama alatt (egy Mars év, vagyis két földi év alatt) akár 3-5 ilyen nagy eseményt lehet majd megfigyelni.
Fontos megjegyezni, hogy az InSight-on használt technikák hatékonyságát a Földön már kipróbálták. Képesek vagyunk rekonstruálni az előzetes referencia-földmodellt (PREM) 1 állomás adataiból azaz a Föld belső struktúrájának modelljét.
Vannak azonban ismeretlen tényezők, és a fentiekben összefoglalt technika érvényessége csak akkor igazolható, ha az InSight a Marsra leszállt. A vörös bolygónak is lehet néhány apró meglepetése. A Holdon a geofizikusok nagyon elcsodálkoztak, amikor felfedezték, hogy a holdkéreg nagyfokú töredezettsége a szeizmikus hullámok óriási diffrakcióját okozza, megakadályozva a felszíni hullámok kialakulását. Mivel a Mars kérge – akárcsak a Holdé – a maprendszer kialakulásának korai szakaszában aszteroidák hatalmas bombázásának volt kitéve, így az erősen töredezett és számos kráter borítja, különösen a bolygó déli féltekén, ami a szeizmikus hullámok diffrakcióját okozza, és ez bonyolítja az elemzést. Szerencsére azonban az alacsony frekvenciák esetében kisebb ez a hatás, amire a széles sávú szeizmométerek, például a SEIS érzékenyek.
Forrás és további információk:
https://www.seis-insight.eu/en/public-2/martian-science/seismic-activity
