次声还能探火星？

我们的标题中有两个信息，一个是次声，另一个则是火星。这里面究竟有怎样的关系? 这是就我们今天需要讲述的故事了。本文的主要内容来自于文章：Modeling Seismic Recordings of High-Frequency Guided Infrasound on Mars。

首先，我们得搞清楚，次声到底是什么？次声一般指频率低于 20Hz 的声音，人耳一般听不到。次声的波长很长，传播距离很远，能量损失很小，穿透力很强。其来源也非常多，比如火山爆发、地震、海啸等。从次声的特性中我们就可以得知，次声的传播距离和其能量损耗使得其能够在距离事件很远处被某些仪器探测到。那次声和火星有什么关系呢？那是一次非常偶然的陨石撞击事件。

关于 NASA 的洞察号，我们这里就不再赘述了，其带来的对于火星的各方资料已经使得人类对于火星的研究有了很大进展。这里我们只讨论陨石撞击事件的资料，由于洞察号携带着地震仪，因此可以随时监测火震及相关活动。这其中，S0986c 陨石撞击事件的定位结果显示，其位于洞察号的东南向，两者相距 85.1 公里。

它与火星表面和大气层相互作用，产生了地震波和次声波。地震波在 0 到约 200 秒之间可见，而次声波在 200 秒之后可见。在下图中，可以看到 S0986c 事件的数据和示意图，包括地震仪的垂直分量数据和其频谱。我们可以看到在蓝色方框中，频散信号非常明显，其在波形中也非常明显，甚至强于前面的直接撞击的信号。因此，文章作者给出下图了这样一个模型去解释次声的信号过程。

陨石撞击会产生两种信号源，一者直接在地下传播进而到达地震仪，二者在大气底部的大气传播形成次声导波，最后到达地震仪。由于振动信号在地下介质中的传播速度远远快于空气中的传播速度，因此地下的振动信号要远早于次声的信号。这里面我们也必须要要谈到，为什么会形成这样的次声导波？声速分布是关键。那火星大气的大致声速是怎样的？由于火星表面在夜间会迅速冷却，而其高空的风速也较高，因此可能会产生近地表的声速低速层，这样的低速相当于一条管道，将次声约束在这个低速层中从而形成次声导波。大家可以简单理解成为光在光纤中的传播。

现在我们已经清楚了次声的信号来源了，那么它为什么会出现频散现象呢？也就是不同的频率次声下，其波速不一样。其实这样一来，我们就可以通过模拟大气的声速模型去拟合次声的真实数据从而得到我们较为可靠的大气声速模型。除此之外，由于地震仪测的是声-地耦合的信号特征，因此次声信号可以用来进行浅地表的简单结构分析。这其中最重要的就是“compliance”，中文称柔度。这是由于大气压力变化会引起地表变形，其强度主要取决于地下结构和扰动的强度、传播速度等。因此可以通过建立地下结构模型去拟合实际观测数据，从而去更新速度结构，获得更加准确的速度结构等。具体的数学物理公式推导，我们这里不再赘述。

因此，如果对类似这样的信号去更加细致分析，可以同时约束大气和浅地表的速度模型，真可谓一举两得的手段。

参考文献

• Xu, Zongbo & Froment, Marouchka & Garcia, Raphaël & Beucler, E. & Onodera, Keisuke & Kawamura, Taichi & Lognonné, Philippe & Banerdt, William. (2022). Modeling Seismic Recordings of High‐Frequency Guided Infrasound on Mars. The Journal of Geophysical Research Planets. 10.1029/2022JE007483.

本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：行雨

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