2019年7月4日美国庆祝独立时,天空爆炸,加州里奇克莱斯特镇周围的地面也加入了这场狂欢:一场6.4级地震袭击了该地区。两天后,一场7.1级地震超过了它,在接下来的几周内发生了数万次余震。加州对地震并不陌生,拥有密集的地面地震检波器网络——那年夏天他们很忙。

与此同时,一小群科学家,也在金州,正试图以一种相当非正统的、违反直觉的方式偷听这些抱怨:他们把气球高高挂在头上。

地震仪通常被固定在陆地上是有原因的。他们测量的地震波来自地震,并在地面传播,所以连接在地球上的仪器能够很好地探测到这些晃动是理所当然的。为什么要切断与地球的联系,从高空监听地震活动,从而使这项任务变得更加困难呢?

好吧,碰巧有一个地方完全不适合传统地震学。在那里,地面温度高达900华氏度,大气压相当于水下一英里。任何放置在那里的地震仪,如果被压力压扁,也会迅速过热并融化。欢迎来到金星——一个王国,现在它擅于迅速摧毁任何我们胆敢放置在火山荒地上的机器人使者。苏联的金星13号着陆器在1982年造访金星时,它是目前的纪录保持者,在消亡前仅持续了127分钟。

金星看起来当然不友好。
金星看起来当然不友好。美国航天局/喷气推进实验室

然而,在金星动荡、酸性的天空中,有一些地方的压力并不是毫不妥协的,同时也更宽容。这可能会使这些地点成为一个相对受欢迎的地方,可以发射气球发射的地震探测器,这种探测器可能能够探测到下面的金星地震。如果是这样,科学家就可以记录下我们邻居的地质活动,并将其与我们自己的世界进行比较,试图更好地了解两者的行为。

但要知道这样的计划在金星上是否可行,首先需要在地球上奏效。这就是为什么在2019年的夏天,科学家们凝视着加州上空的云层,而那些频繁的地震改变了他们脚下的地面。他们已经在杂志上发表了他们的研究结果地球物理研究快报.剧透警告:下一站,金星。

向金星发射气球并不是一个新想法。以前也有人这么做过:苏联放弃了其中两个1985年进入大气层,装有传感器,在研究天气的同时跟踪它们的运动。他们在每小时150英里的风速下漂流了整整一夜,直到电池在部署46小时后耗尽,就在太阳开始升起的时候。然后它们瘪了,再也没有出现过。

气球稍微变暗,以加热里面的空气,让它们上升,直到黄昏,当它们冷却下来。
气球稍微变暗,以加热里面的空气,让它们上升,直到黄昏,当它们冷却下来。美国国家航空航天局/姓名

尽管这些任务很酷,但它们的科学仪器都不是为探测地震活动而设计的。尽管金星厚厚的大气层让我们看不见它,但很有可能有很多东西可以探测到。

它的几座火山几乎肯定是活跃的。詹妮弗•杰克逊他是加州理工学院的地球科学家,也是这项研究的合著者。他说,悬挂在地球表面上方35英里处的空中地震仪,可以听到各种各样的火山沸腾声,从岩浆山的活跃喷发到岩浆大锅的结构崩塌。最近的研究表明,金星地壳的国家大小的斑块是抖动了就像浮冰一样,产生了大量的金星地震。天空中也能听到流星爆炸的声音。

他说:“你可以用气球听到一颗行星的心跳。保罗·伯恩他是北卡罗来纳州立大学的行星科学家,没有参与这项工作。地震波的不同行程告诉科学家它们所穿过的岩石的性质,因此,航空地震仪可以用来绘制一幅金星隐秘的地下颤动的图像——一个我们几乎一无所知的地方。

但你不可能在气球上安装一个普通的地震仪来捕捉所有这些隆隆声。记住,它们是用来和地面接触的。然而,地震确实会产生相应的声波,在空气中快速传播。它们往往是次声,也就是说,低于人类听觉的范围。但是这些声波改变了它们穿过的空气的压力,所以你可以使用气压计,或者压力传感器,从远处探测到这种次声波。

科学家们用来从高空探测地震的压力传感器。
科学家们用来从高空探测地震的压力传感器。Siddharth Krishnamoorthy提供的

科学家们已经在地球上使用次声来听到太空岩石爆炸、遥远的雷暴、火山内部岩浆的汩汩声和构造震动。那么为什么不在金星上做同样的事情呢?因此,这个由国际研究人员组成的小而专注的团队一直在设计他们自己的地震捕捉气球。

问题是,自然地震是不可预测的,因此很难测试该计划的有效性。所以研究人员决定自己制造。有时他们会使用地震锤——一种巨大的活塞状装置,敲击地面。在其他情况下,他们埋炸药和把他们炸了.系在气球上的次声探测器探测到了这两种类型的人工地震。但它们能在现实中起作用吗?

当他们考虑各种选择时,包括去俄克拉何马州旅行——在那里,自然和石油天然气工业引发的人工地震很常见——里奇克莱斯特地震序列开始了。他们行动起来抓住机会。

气球的设计是由研究的合著者率先提出的丹尼尔•鲍曼他是新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的地球物理学家。他们的独创性在于他们的惊人的简单它们是用胶带和塑料布做成的,每片售价不超过30美元。

实验中使用的气球重量轻,价格便宜。
实验中使用的气球重量轻,价格便宜。Siddharth Krishnamoorthy提供的

木炭粉被用来使气球的材质变暗,这样气球就能吸收阳光,加热里面的空气,使气球上升。夜幕降临时,空气变冷,密度增大,所以气球会落回地球。他说,你所要做的就是在它们身上粘上一些工具,然后放手昆汀Brissaud他是挪威地震台的地震学家,也是这项研究的主要作者。

该团队于2019年7月22日在加州放飞了两个次声探测气球,并于8月9日放飞了另外两个气球,它们上升到离地面11至15英里的高度。他们所希望的是一场强烈的余震。这些震动大多是人察觉不到的;只有强烈的震动才能产生足够大的次声信号,以穿透周围环境发出的其他噪音。

7月22日,大自然给了他们一块骨头。两个气球中的一个被下面的次声波撞击。加州的地面地震仪显示,50英里外发生了4.2级地震。对数据的仔细处理证实,次声确实是由构造引起的。模拟显示,根据到震源的距离,次声爆炸准确地到达了气球。

当气球内部的空气冷却后,气球在黄昏时降落到地面。科学家们认为金星的版本可以在空中保持60天。
当气球内部的空气冷却后,气球在黄昏时降落到地面。科学家们认为金星的版本可以在空中保持60天。Siddharth Krishnamoorthy提供的

他们做到了:第一次从高空气球上探测到地震。这可能只是一次单独的测量,但研究小组发现,他们可以利用它来拼凑出地震地下震源的图像。

这个成功的故事无意中反映了一个古老的寓言。7月22日升空的气球“被命名为野兔和乌龟,”他说哈斯Krishnamoorthy他是美国宇航局喷气推进实验室的研究技术专家,也是这项研究的合著者。这只乌龟只有轻微的木炭色素沉着,它花了很长时间才升到空中。在15分钟内,它只停留在离地面100英尺的地方,然后随着温度的逐渐升高,它慢慢上升。野兔的价格飙升,部分原因是由于它的色素含量更高。

但是海尔遇到了一个问题:它的快速上升转移了大量的空气,产生了大量的噪音,也许太大了,以至于它听不到任何地震。乌龟,飞得要轻得多,处于一个完美的位置,可以听到泄露秘密的声音。稳扎稳打赢得了比赛。

在尝试金星远景之前,还有很多问题需要解决。这次实地试验证明,地震可以从高处探测到。但是用气球来定位地震的震中完全是另一个挑战。毕竟,金星不会有地面地震仪来帮忙。

在未来的实验中,包括在俄克拉荷马州的实验中,研究小组将在每个气球上安装多个气压计。来自地震的声波会在不同的时间到达这些气压计,这可以用来估计声波的来源方向。这是立体的空中地震探测。

莫哈韦沙漠虽然不适合居住,但与金星上的仪器相比,它根本算不上什么。但实验表明,地震活动可以从气球上探测到。
莫哈韦沙漠虽然不适合居住,但与金星上的仪器相比,它根本算不上什么。但实验表明,地震活动可以从气球上探测到。美国国家航空航天局/姓名

然而,伯恩说,很明显,在金星上空放飞气球“是个好主意”。“这是优雅。这对金星来说尤其有吸引力。”这是因为这颗行星的大气密度很大,这意味着地震产生的声波在天空中的传播效率要高得多,使它们能够轻松地以可探测的水平到达那些假想的气球。

再加上一些仪器,你就有了一个漂浮的科学实验室。杰克逊说,即使使用目前可用的技术,他们相信这些空间站中的一个至少可以在那里存活60天。

但这种情况会发生吗?直到这个月,这种可能性都不大。但现在我们知道NASA正在发送两艘宇宙飞船前往金星,欧洲航天局也在发送第三个因此,几率有所增加。其中两项任务将绕地球运行,而另一项任务将穿过大气层,一直读取数据,直到它在表面消失。他们肯定会有改变游戏规则的发现,但不是长期的大气气球飞行所能达到的那种测量。

“我非常希望将来会有金星气球,”克里希纳穆尔西说。“但这是否会发生,谁也说不准。”