SUSTech 科研说 | 流星撞火星，红色星球的神秘面纱正被缓缓“震”落

we o

昨天，12月26日

距离地球2亿公里的火星迎来了春分

这一天也标志火星进入新的一年

今天

官微邀请南科大

地球与空间科学系的老师

带你深入了解这颗红色的星球

从人类肉眼仰望神秘“红光星球”，到发射探测器奔赴火星，人类对于火星的好奇与探索未曾停止。

火星，地球的“姊妹”星球。在太阳系八大行星中，火星是离太阳第四近的行星，自转轴倾角和自传周期与地球相近。和地球一样，火星也拥有高山、平原、峡谷、环形山等地貌。种种神奇的相似，让人类寄予火星更多幻想与期望，为让梦想照进现实而付诸实践。

日前，NASA公布了一张在火星上拍摄的一个撞击坑边缘照片，周围散落了巨石大小的冰块。经科学家证实，2021年12月24日流星撞击火星，形成陨石坑，并在火星引起了一次4级地震，这是火星探测器首次观测到面波信号。

此次突破性的发现，南科大地球与空间科学系杨英杰教授和陈晓非院士受邀在国际学术顶级期刊Science发表题为“A seismic meteor strike on Mars“的评述文章，深入评论了流星撞击火星事件以及利用撞击产生的地震波来研究火星地壳结构的研究，并对火星地震学的研究前景进行了展望。

”

“——机缘巧合让我有机会选择了这样一个新兴的研究方向。”

“当噪声地震学刚提出来的时候，我正好在美国布朗大学攻读博士学位，主要从事利用地震面波研究地球地幔结构的研究，在我的研究中引入噪声地震学可以弥补天然地震在研究地球内部结构的缺陷。现在，利用火星上出现的杂乱无章的信号，以同样的原理在对火星的结构进行研究。”

问：火星是否有着和地球类似的结构？

杨英杰：火星是太阳系八大行星中最“像”地球的星球。它的内部结构与地球类似，具有核、幔和壳三层结构。火星拥有一个半径约1830km的核，其上部是厚达约1500km的火幔，最外面是厚度为20-70km的壳。与地球不同的是，火星的核目前认为是液态的，而不像地球那样在液态的外核内部拥有一个固态的内核。

问：火星上的火震和地球上的地震有什么不同？

杨英杰：从整体上来说，火星上的地震（简称“火震”），它的数量和强度都要比地球上的地震小的多。我们都知道，地球板块运动非常活跃，板块的边界是地震的一个密集分布区，例如震级达9.5级的1960年智利大地震、9.1级的2011年日本东北3.11大地震都是发生在这些区域。相比之下，由于火星缺乏像地球一样的板块运动，火星上的地震要弱得多，很少有超过5级以上的火震发生。

问：这些火震信号对于我们探索火星有什么帮助？对人类社会会起到什么作用？

杨英杰：通过研究分析火震信号，地震学家可以推测火星的内部结构和物质组成以及火星的形成与演化过程。由于火星不像地球那样有着剧烈的板块运动，因此它的地形地貌与内部结构很好的保留了火星形成演化过程中的各种蛛丝马迹，为我们了解类地行星的演化过程提供一个绝佳的标本。

近些年来，各个国家都开展了火星的探测计划，也相继提出了火星的载人探测、火星移民等计划。人类要想在火星长久居住，就需要充分利用火星现有的资源。比如火星上是否存在水、矿产资源的分布如何、结构的稳定性是否支持火星基地的建设......这些问题都影响着未来火星登陆点的选择。所以人类要想前往火星生存，前期对于火星的一系列研究必不可少。

问：本次Science报道的火震事件和以往的火震信号有什么不同？

杨英杰：这一次Science报道的火震事件是由于一个流星体撞击火星产生的。流星撞击事件发生于2021年12月24日，流星的撞击在火星表面留下了一个直径为150±10 m的陨石坑。在这一次撞击事件的火震波波形中，研究人员观测到了明显的面波信号，这是此前研究者未曾在火震记录中观测到的。地震面波可以很好地揭示火星壳慢结构变化，这对于解开火星壳幔演化的奥秘至关重要。

问：对未来利用噪声地震学的方法对火星结构开展研究有何展望？

杨英杰：噪声地震学方法是利用连续地震记录中普遍存在的“背景噪声”，通过单台或不同台站对间连续时间信号的互相关来提取经验格林函数，以此来进行地下介质结构成像研究。目前，火星上唯一的洞察号地震仪在过去的3年多持续不断地记录火星地表的震动信号，我们可以通过单个台站记录到的地表震动数据自相关的方式从气旋激发出微震信号中提取长周期面波信号，利用这个面波信号我们可以对火星的壳幔结构进行更深入的研究。洞察号探测器在2022年12月21日结束其观测任务，世界还有多项火星探测计划正在陆续开展，例如我国的“天问”火星探测计划，届时将会采集到更多的火星地震波观测数据，希望“天问”计划能够为人类深入认知火星做出中国贡献。这些数据最终会帮助我们揭开这颗红色星球的内部秘密，为人类更好的了解包括地球在内的类地行星的演化过程提供数据基础。

图1：A：流星体撞击火星产生的火震波。2021年12月24日，“洞察”号火星着陆器记录到了一次流星体撞击事件，撞击产生的波形中观测到了面波信号。通过对这一火震信号进行分析，研究人员得到了不同于以往的火壳结构细节信息。B：流星体撞击火星产生的陨石坑。来自火星轨道探测器的火星地表彩色图像显示了这一撞击事件产生的陨石坑，从陨石坑向外辐射的黑色条纹是由超音速撞击产生。

问：您认为，目前的工作还有哪些可以改进的地方？

杨英杰：这次流星撞击产生的“火震”面波信号的周期范围大约为8-15s。在这一周期范围内，面波信号反映的结构深度大约在30km以内。通过这一信号的分析，我们初步了解了火星表层大致的地震波速，但我们还是希望能够获得更深一些的结构信息，最好是20-100km这样一个壳幔边界范围的结构信息，而这就要求我们提取更长周期的面波信号。考虑到单个的火震事件产生的面波信号能量较弱，我们计划利用多个事件的信号进行叠加的方式增强面波信号能量，尝试提取拥有更宽频带范围的面波信号，以便对火星的壳幔结构进行成像研究。

问：您是最早一批从事噪声地震学研究的学者，当初为何会选择这样一个方向呢？

杨英杰：地震背景噪声技术，可以说是21世纪以来地震学研究中最为重要的突破性进展之一。这一方法不再要求我们准确获知震源的位置信息，同时，利用该技术进行结构研究，相比于传统的地震学成像方法拥有更高的横向分辨能力。因此，噪声地震学研究拥有着非常广泛的应用前景和发展前途。当噪声地震学刚提出来的时候，我正好在美国布朗大学攻读博士学位，主要从事利用地震面波研究地球地幔结构的研究，在我的研究中引入噪声地震学可以弥补天然地震在研究地球内部结构的缺陷，研究历史的机缘巧合让我有机会选择了这样一个新兴的研究方向。

问：能否分享下您在国外求学时比较印象深刻的感受？又是什么契机让您选择回国？

杨英杰：我在国外求学期间感受最深的，莫过于有机会与来自世界各国的同学和老师交流。这一过程中我得以接受到不同文化背景的知识熏陶，彼此间互相学习和讨论也使我的世界观变得更加国际化。

随着中国经济的快速发展，国家对自然科学研究也越来越重视，各方面投入也越来越多，科研实力与日俱增，我相信回国能更好地发挥自身的技能和经验，为中国的科技发展和社会的进步做出贡献。南科大办学模式新颖，学术氛围很好，师资力量强大，重视科技创新，我很期待能够在南科大一定能够取得丰硕的研究教学成果。

杨英杰在上课

问：对于初入课题组的本科生，您认为从事基础科研，应具备哪些特质？对于读研特别是读博的同学您有什么建议？

杨英杰：从事基础科研工作首先要有强烈的求知欲望。科研工作旨在创新和发展，这背后的动力就来自于求知欲。只有对自然界万事万物背后的运行原理、过程和真相充满好奇，才能帮助我们有足够的耐性透过现象观察到事物的本质，在科研工作中保持足够的激情和干劲。其次，要能够沉得住气耐得住寂寞，基础科研的创新是在了解掌握广大现有研究的基础之上的，这要求我们能够具备总结归纳的能力以及持之以恒的耐心，因为这一过程可能是枯燥而漫长的。最后，要有独立思考和发现问题的能力，在了解现有研究的过程中需要我们有着自己的思考和见解，而不是人云亦云，迷信他人的结论，只有这样才能让我们在海量的研究方向中找到适合自己的创新突破点，进一步培养自己解决问题的能力。处于研究生阶段的同学，对自身的要求应该要更加严格。要了解科学发展史，提高耐心、洞察力、独立思考的能力，不断磨炼学习交流沟通的能力和语言能力。全国研究生考试刚刚结束，备战是辛苦的，明天一定是幸福的！

杨英杰简介

杨英杰，南方科技大学地球与空间科学系教授，教育部特聘专家。2000年于中国科学技术大学获地球物理学士学位，2003年和2006年在美国布朗大学分别获得硕士、博士学位，2006-2010年在美国科罗拉多大学任助理研究员，2010-2021年在澳大利亚麦考瑞大学地球与行星科学系历任讲师、高级讲师、副教授。2021年11月入职南方科技大学地球和空间科学系。主要从事地震层析成像、背景噪声层析成像等研究，在Science,Nature,Nature Geoscience, Geology, EPSL, GRL, JGR等杂志发表论文100余篇。2013年获澳大利亚研究理事会Future Fellowship, 2015年获澳大利亚科学院Anton Hales 奖章, 2021获深圳市高层次人才“鹏城孔雀计划”项目A类。现任Journal of Geophysical Research: Solid Earth和Exploration Geophysics副主编，Earth and Planetary Physics和Earthquake Science杂志编委。

推荐阅读

--- 南方科技大学 ---

新媒体中心

来源：理学院

文字：谢锦赟、陈艺晴

编辑：杨奂彦

欢迎投稿、建议：

[e-mail]