Simuleringer til Mars Insight-mission

Den 5. maj NASA "InSight"-landeren tog afsted på sin rejse til Mars. Dette er den første mission dedikeret til at undersøge den røde planets indre struktur og besvare nogle nøglespørgsmål såsom:Hvorfor har Jorden og Mars udviklet sig så forskelligt, selvom deres oprindelige struktur og kemiske sammensætning virker så ens? Hvor stor, tyk og tæt er kernen, kappe og skorpe? Hvad er deres struktur? Forskerne håber at få grundlæggende indsigt i den generelle dannelse af klippeplaneter som Mars, Jorden, Merkur og Venus.

Seismometer til ekstreme forhold

Landeren er udstyret med geofysiske instrumenter, især et særligt seismometer; efter landingen i slutningen af ​​november 2018, denne enhed vil optage seismiske vibrationer og overføre data tilbage til Jorden.

Forskere fra ETH Zürich og den schweiziske seismologiske tjeneste, som var involveret i udviklingen af ​​seismometerets elektronik (se ETH News fra 5. maj 2018), vil være blandt de første til at analysere og fortolke dataene.

Forskere fra Institut for Geofysik er allerede begyndt at forberede disse analyser. På "Piz Daint" supercomputeren på Swiss National Supercomputing Center (CSCS), forskerne beregnede seismisk bølgeudbredelse for omkring 30 forskellige Mars-modeller.

Til deres modelkatalog, forskerne konsoliderede al tilgængelig viden om planeten og brugte denne til at beregne syntetiske seismiske data, som kunne modtages fra Mars. Forskerne brugte derefter disse data til at udføre en blindtest, hvor de offentliggjorde dataene og inviterede eksperter fra hele verden til at fortolke dem for at udveksle viden og erfaringer på dette område.

Universel kode til simulering af bølger

For at undersøge indflydelsen af ​​Mars-skorpens 3D-struktur mere detaljeret, Martin van Driel, Seniorforsker ved ETH Zürich, simulerede seismiske bølger på Mars med Salvus, en kode, som han udviklede på ETH sammen med sine kolleger Michael Afanasiev, Lion Krischer og Christian Böhm. Denne kode er fleksibel og kan bruges universelt til spørgsmål vedrørende bølgeudbredelse i forskellige medier på forskellige skalaer.

Mars-simuleringerne kører på "Piz Daint" i realtid den 7. 200 computerkerner - hvilket betyder, at beregningerne tager omtrent lige så lang tid, som de seismiske bølger skal rejse gennem Mars. Afhængig af planetens indre struktur, bølgerne rejser med forskellige hastigheder og tager forskellige ruter fra kilden til seismometeret. Den tid, det tager for bølgerne at rejse gennem Mars' indre, vil hjælpe forskerne til bedre at forstå planetens struktur og klippeegenskaber.

Med omkring 10 milliarder frihedsgrader og 300, 000 tidstrin, det lykkedes forskerne at løse et betydeligt stort problem. "Uden en supercomputer som "Piz Daint", at simulere en enkelt model på en bærbar computer ville have taget mere end to år – altså omkring fire gange så lang tid som landerens rejse til Mars, siger Böhm.

Visualisering ved missionslancering

Forskerne visualiserede en af ​​de numeriske simuleringer i en video. Dette blev vist på NASAs pressekonference til Mars-missionens raketopsendelse. Visualiseringen viser, hvordan bølgerne bevæger sig langs overfladen af ​​Mars, kredser rundt om planeten og passerer landeren tre gange. Van Driel forklarer, at det er vigtigt at måle bølgerne på hver af de tre gennemløb, da dette vil give forskerne mulighed for at indsamle information om planeten, identificere tidspunktet og placeringen af ​​Mars-skælvet, og beregne dens omtrentlige struktur, alle med kun én seismisk station. Imidlertid, amplituden af ​​den tredje bølge er mindre med en faktor på ti; Seismometeret skal således være følsomt og sofistikeret nok til at måle dette, og skælvet skal have en styrke på mindst 4,5.

På jorden, jordskælv af denne størrelsesorden er primært genereret af pladetektoniske processer, hvor kontinentale eller oceaniske plader kolliderer eller glider forbi hinanden. Forskere mener i øjeblikket, at pladetektonikken ikke er aktiv på Mars. Imidlertid, i løbet af de to år forventer de, at meteoritnedslag eller sammentrækninger forårsaget af Mars' afkøling vil producere seismiske hændelser, der er stærke nok til at blive observeret af seismometeret.

Tidligere simuleringer muliggør dataevaluering

Da seismiske bølger på Mars aldrig er blevet registreret med et så følsomt seismometer, numeriske simuleringer er den eneste måde at forberede sig på dataevalueringen af ​​NASA InSight-missionen.

"Vi bruger de beregnede modeller til at kontrollere, hvordan visse strukturer, såsom skorpetykkelsen, påvirke målingerne, " siger Böhm. Modellerne hjælper således forskerne med at verificere deres metoder og til bedre at forstå seismogrammer på Mars. Selvom de seismiske data, der genereres af modellerne, ligner jordbaserede data ved første øjekast, de subtile forskelle er vigtige. Forskerne skal derfor sætte sig ind i disse nye data og lære at fortolke dem.

For endelig at forstå Mars struktur, ETH-forskerne vil sammenligne de faktiske målinger med de simulerede data. For det, de vil trække på Mars-modelkataloget for at se, om og hvordan målingen ændrer sig, under hensyntagen til modellerne, hvad strukturerne er, og hvad alle simuleringerne har til fælles.