NASA-ballonen registrerer jordskælvet i Californien - næste stop, Venus?

Mellem 4. juli og 6. juli 2019, en sekvens af kraftige jordskælv buldrede nær Ridgecrest, Californien, udløser mere end 10, 000 efterskælv over en periode på seks uger. At se en mulighed, forskere fra NASAs Jet Propulsion Laboratory og Caltech fløj instrumenter fastgjort til højhøjdeballoner over regionen i håb om at lave den første ballonbårne detektion af et naturligt forekommende jordskælv. Deres mål:At teste teknologien til fremtidige applikationer på Venus, hvor balloner udstyret med videnskabelige instrumenter kunne svæve over planetens overordentlig ugæstfri overflade.

Og det lykkedes. Den 22. juli meget følsomme barometre (instrumenter, der måler ændringer i lufttrykket) på en af ​​ballonerne registrerede de lavfrekvente lydbølger forårsaget af et efterskælv på jorden.

I deres nye undersøgelse, udgivet den 20. juni i Geofysiske forskningsbreve , holdet bag ballonerne beskriver, hvordan en lignende teknik kunne hjælpe med at afsløre Venus' inderste mysterier, hvor overfladetemperaturerne er varme nok til at smelte bly, og atmosfærisk tryk er højt nok til at knuse en ubåd.

Planetariske rumlen

Cirka på størrelse med Jorden, Venus menes engang at have været mere gæstfri, før den udviklede sig til et sted, der er bemærkelsesværdigt forskelligt fra vores beboelige verden. Forskere er ikke sikre på, hvorfor det skete.

En vigtig måde at forstå, hvordan en klippeplanet udviklede sig, er at studere, hvad der er indeni, og en af ​​de bedste måder at gøre det på er at måle de seismiske bølger, der hopper rundt under overfladen. På jorden, forskellige materialer og strukturer bryder disse underjordiske bølger på forskellige måder. Ved at studere styrken og hastigheden af ​​bølger produceret af et jordskælv eller eksplosion, seismologer kan bestemme karakteren af ​​stenlag under overfladen og endda lokalisere reservoirer af væske, såsom olie eller vand. Disse målinger kan også bruges til at detektere vulkansk og tektonisk aktivitet.

"Meget af vores forståelse af Jordens indre - hvordan den afkøles og dens forhold til overfladen, hvor livet bor - kommer fra analysen af ​​seismiske bølger, der krydser områder så dybt som Jordens indre kerne, " sagde Jennifer M. Jackson, William E. Leonhard professor i mineralfysik ved Caltechs seismologiske laboratorium og en studie medforfatter. "Titusindvis af jordbaserede seismometre befolker rumligt tætte eller permanente netværk, muliggør denne mulighed på Jorden. Vi har ikke denne luksus på andre planetariske legemer, især på Venus. Observationer af seismisk aktivitet der ville styrke vores forståelse af klippeplaneter, men Venus' ekstreme miljø kræver, at vi undersøger nye detektionsteknikker."

JPL og Caltech har udviklet denne ballonbaserede seismologiteknik siden 2016. Fordi seismiske bølger producerer lydbølger, information omsættes fra undergrunden og til atmosfæren. Værdifuld videnskab kan derefter indsamles ved at studere lydbølger fra luften på samme måde, som seismologer ville studere seismiske bølger fra jorden.

Hvis dette kunne opnås på Venus, videnskabsmænd vil have fundet en måde at studere planetens gådefulde indre uden at skulle lande noget hardware på dens ekstreme overflade.

Ridgecrest ryster

Under efterskælvene efter 2019 Ridgecrest jordskælvssekvensen, JPLs Attila Komjathy og hans kolleger ledede kampagnen ved at frigive to "heliotrope" balloner. Baseret på et design udviklet af studiemedforfatter Daniel Bowman fra Sandia National Laboratories i Albuquerque, Ny mexico, ballonerne stiger til højder på omkring 11 til 15 miles (18 til 24 kilometer), når de opvarmes af solen og vender tilbage til jorden i skumringen. Mens ballonerne drev, barometre, de bar, målte ændringer i lufttrykket over området, mens de svage akustiske vibrationer fra efterskælvene rejste gennem luften.

"At prøve at opdage naturligt forekommende jordskælv fra balloner er en udfordring, og når du først ser på dataene, du kan føle dig skuffet, da de fleste jordskælv med lav styrke ikke producerer stærke lydbølger i atmosfæren, sagde Quentin Brissaud, en seismolog ved Caltechs seismologiske laboratorium og Norwegian Seismic Array (NORSAR) i Oslo, Norge. "Alle former for støj fra omgivelserne bliver detekteret; selv ballonerne genererer støj."

Under tidligere tests, forskerne opdagede de akustiske signaler fra seismiske bølger genereret af en seismisk hammer (en tung masse, der falder til jorden), samt sprængstoffer detoneret på jorden under tøjrede balloner. Men kunne forskerne gøre det samme med fritsvævende balloner over et naturligt jordskælv? Den største udfordring blandt andre:Der var ingen garanti for, at et jordskælv overhovedet ville ske, mens ballonerne var højt.

Den 22. juli de havde en heldig pause:Jordbaserede seismometre registrerede et efterskælv med en styrke på 4,2 næsten 80 kilometer væk. Cirka 32 sekunder senere, en ballon registrerede en lavfrekvent akustisk vibration - en type lydbølge under tærsklen for menneskelig hørelse kaldet infralyd - skyllede hen over den, mens den steg op til en højde af næsten 3 miles (4,8 kilometer). Gennem analyser og sammenligninger med computermodeller og simuleringer, forskerne bekræftede, at de havde, for første gang, opdaget et naturligt forekommende jordskælv fra et ballonbåret instrument.

"Fordi der er et så tæt netværk af seismometer-jordstationer i det sydlige Californien, vi var i stand til at få 'grundsandheden' om tidspunktet for jordskælvet og dets placering, " sagde Brissaud, undersøgelsens hovedforfatter. "Bølgen vi opdagede var stærkt korreleret med nærliggende jordstationer, og sammenlignet med modellerede data, det overbeviste os - vi havde hørt et jordskælv."

Forskerne vil fortsætte med at flyve ballonerne over seismisk aktive områder for at blive mere fortrolige med infralydsignaturerne forbundet med disse begivenheder. Ved at tilføje flere barometre til den samme ballon og flyve flere balloner på én gang, de håber at finde ud af, hvor et jordskælv opstår uden at skulle bekræftes fra jordstationer.

Fra Californien til Venus

Det har allerede vist sig muligt at sende balloner til Venus. De to Vega-missionsballoner udstationeret der i 1985 af et sovjetisk ledet kooperativ transmitterede data i over 46 timer. Ingen af ​​dem bar instrumenter til at detektere seismisk aktivitet. Nu viser denne undersøgelse, at teknikken til at detektere infralyd ved Venus også kan være mulig. Faktisk, fordi Venus atmosfære er meget tættere end Jordens, lydbølger rejser langt mere effektivt.

"Den akustiske kobling af jordskælv til atmosfæren er beregnet til at være 60 gange stærkere på Venus end på Jorden, hvilket betyder, at det burde være lettere at opdage venuskælv fra de kølige lag af Venus atmosfære mellem 50 og 60 kilometer i højden, " sagde JPL-teknolog Siddharth Krishnamoorthy, hovedefterforsker af analyseindsatsen. "Vi burde være i stand til at opdage venuskælv, vulkanske processer, og udgasning af begivenheder, mens aktivitetsniveauerne karakteriseres."

Det, der interesserer Krishnamoorthy mest ved at flyve balloner på Venus, er, at videnskabsmænd kunne bruge dem til at drive over regioner, der ser ud til at være seismisk aktive baseret på satellitobservationer og finde ud af, om de virkelig er det. "Hvis vi driver over et hotspot, eller hvad der ligner en vulkan fra kredsløb, ballonen ville være i stand til at lytte efter akustiske spor for at finde ud af, om den faktisk opfører sig som en terrestrisk vulkan, " sagde Krishnamoorthy, som også var teknisk leder for Ridgecrest ballonkampagnen. "På denne måde balloner kunne give grundsandheden til satellitmålinger."

Mens Venus ballonhold fortsætter med at udforske disse muligheder, kolleger hos NASA vil gå videre med to missioner, som agenturet for nylig valgte til Venus mellem 2028 og 2030:VERITAS vil studere planetens overflade og indre, og DAVINCI+ vil studere dens atmosfære. ESA (European Space Agency) har også annonceret sin egen mission til Venus, EnVision. Disse missioner vil give nye fingerpeg om, hvorfor den engang jordlignende planet blev så ugæstfri.