En ny type seismisk sensor til at detektere måneskælv

Under Apollo-missionerne i 1970'erne blev adskillige seismometre fløjet til månen, hvor de indsamlede data om månens seismiske rystelser i otte år. Dataene viste, at nogle måneskælv var så kraftige som en størrelsesorden 5.

I modsætning til Jorden er månen ikke tektonisk aktiv. Måneskælv har forskellig oprindelse:Nogle er forårsaget af termiske forskelle fra dag til nat, da overfladen varierer i temperatur, andre, der forekommer dybere, kan være forårsaget af Jordens tyngdekraft, og atter andre er forårsaget af, at månen langsomt afkøles og trækker sig sammen over tid . At forstå hvordan, hvornår og hvor disse jordskælv opstår er afgørende for planlægning af missioner til månen, især hvis permanente strukturer som en månebase skal bygges på dens overflade.

En ny undersøgelse viser, at en ny seismologisk teknologi kaldet distribueret akustisk sensing (DAS) ville være i stand til at måle måneskælv med hidtil uset præcision. Da NASAs kommende Artemis-missioner planlægger at vende tilbage til månen for blandt andre forskningsformål at implementere nye seismiske sensorer, argumenterer undersøgelsen for at bruge DAS frem for konventionelle seismometre.

Et papir med titlen "Assessing the feasibility of Distributed Acoustic Sensing (DAS) for moonquake detection", der beskriver forskningen, vises i tidsskriftet Earth and Planetary Science Letters .

I det sidste årti har professor i geofysik Zhongwen Zhan (Ph.D.) udviklet DAS, som går ud på at sende lasere gennem et fiberoptisk kabel og måle, hvordan laserlyset ændrer sig i hele kablet, når det oplever rystelser eller rystelser. På denne måde fungerer kablet som en sekvens af hundredvis af individuelle seismometre, der gør det muligt for forskere at måle jordskælv meget præcist. En nylig undersøgelse viste, at en 100 kilometer lang kabelstrækning kunne fungere som det, der svarer til 10.000 seismometre.

Med kun et par individuelle seismometre langt fra hinanden på månen, er de seismiske signaler fra måneskælv ret uklare eller "støjende", som at lytte til en radio fuld af statisk elektricitet. Dette skyldes et fænomen kaldet spredning, hvor seismiske bølger bliver mindre klare, når de rejser gennem det pulverformige øvre lag af månens overflade. At have flere sensorer – ja, at have tusindvis, som et fiberoptisk kabel kunne give – ville hjælpe med at tydeliggøre et støjende signal.

I det nye studie, ledet af Qiushi Zhai, postdoc-forsker i geofysik, indsatte forskerne et fiberoptisk kabel udstyret med DAS-teknologi i Antarktis. Sydpolens frysende, tørre miljø, langt væk fra menneskelige aktiviteter, er den nærmeste analog på Jorden til månen. DAS-sensorerne var følsomme nok til at måle de små rystelser forårsaget af isen, der revner og bevægede sig, hvilket tyder på, at de ville være i stand til at måle måneskælv.

"En anden fordel ved at bruge DAS på månen er, at et fiberoptisk kabel er fysisk ret modstandsdygtigt over for det barske månemiljø:høj stråling, ekstreme temperaturer og kraftigt støv," siger Zhai.

De næste trin er at demonstrere, at DAS kan operere med de begrænsede strømressourcer, der er tilgængelige på månen, og at udføre mere modellering og analyser for at forstå, hvordan små og fjerne jordskælv kan være og stadig være sporbare.

Distribueret akustisk sensing:Hvordan virker det?

For at bruge et fiberoptisk kabel som en tæt række af seismiske sensorer, er laseremittere stationeret i den ene ende af kablet og skyder lysstråler gennem de lange, tynde glasstrenge, der udgør kablets kerne. Glasset har små ufuldkommenheder, der reflekterer en lille del af lyset tilbage til kilden, hvor det optages.

På denne måde fungerer hver ufuldkommenhed som et sporbart waypoint langs det fiberoptiske kabel, som typisk er begravet lige under jordoverfladen. Seismiske bølger, der bevæger sig gennem jorden, får kablet til at vrikke lidt, hvilket ændrer lysets rejsetid til og fra disse waypoints.

Ufuldkommenhederne langs kablets længde virker således som tusindvis af individuelle seismometre, der gør det muligt for seismologer at observere bevægelsen af ​​seismiske bølger. Brug af telekommunikationsfiberoptiske kabler i hele staten Californien kunne for eksempel svare til at dække det med millioner af seismometre, hvilket gør det muligt for forskere at lave detaljerede observationer af skorpes dynamik overalt, hvor fiberoptiske kabler er i nærheden.

Flere oplysninger: Qiushi Zhai et al., Assesing the feasibility of Distributed Acoustic Sensing (DAS) til måneskælvdetektion, Earth and Planetary Science Letters (2024). DOI:10.1016/j.epsl.2024.118695

Journaloplysninger: Earth and Planetary Science Letters

Leveret af California Institute of Technology