我們的標(biāo)題中有兩個(gè)信息，一個(gè)是次聲，另一個(gè)則是火星。這里面究竟有怎樣的關(guān)系?這是就我們今天需要講述的故事了。

首先，我們得搞清楚，次聲到底是什么？次聲一般指頻率低于20Hz的聲音，人耳一般聽不到。次聲的波長很長，傳播距離很遠(yuǎn)，能量損失很小，穿透力很強(qiáng)。其來源也非常多，比如火山爆發(fā)、地震、海嘯等。從次聲的特性中我們就可以得知，次聲的傳播距離和其能量損耗使得其能夠在距離事件很遠(yuǎn)處被某些儀器探測到。那次聲和火星有什么關(guān)系呢？那是一次非常偶然的隕石撞擊事件。

關(guān)于NASA的洞察號，我們這里就不再贅述了，其帶來的對于火星的各方資料已經(jīng)使得人類對于火星的研究有了很大進(jìn)展。這里我們只討論隕石撞擊事件的資料，由于洞察號攜帶著地震儀，因此可以隨時(shí)監(jiān)測火震及相關(guān)活動(dòng)。這其中，S0986c隕石撞擊事件的定位結(jié)果顯示，其位于洞察號的東南向，兩者相距85.1公里。

洞察號位置和隕石撞擊事件位置 （Xu et al., 2022）

它與火星表面和大氣層相互作用，產(chǎn)生了地震波和次聲波。地震波在0到約200秒之間可見，而次聲波在200秒之后可見。在下圖中，可以看到S0986c事件的數(shù)據(jù)和示意圖，包括地震儀的垂直分量數(shù)據(jù)和其頻譜。我們可以看到在藍(lán)色方框中，頻散信號非常明顯，其在波形中也非常明顯，甚至強(qiáng)于前面的直接撞擊的信號。下圖給出了一個(gè)模型去解釋次聲的信號過程。

次聲傳播模型和地震儀數(shù)據(jù) （Xu et al., 2022）

隕石撞擊會(huì)產(chǎn)生兩種信號源，一者直接在地下傳播進(jìn)而到達(dá)地震儀，二者在大氣底部的大氣傳播形成次聲導(dǎo)波，最后到達(dá)地震儀。由于振動(dòng)信號在地下介質(zhì)中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于空氣中的傳播速度，因此地下的振動(dòng)信號要遠(yuǎn)早于次聲的信號。這里面我們也必須要要談到，為什么會(huì)形成這樣的次聲導(dǎo)波？聲速分布是關(guān)鍵。那火星大氣的大致聲速是怎樣的？由于火星表面在夜間會(huì)迅速冷卻，而其高空的風(fēng)速也較高，因此可能會(huì)產(chǎn)生近地表的聲速低速層，這樣的低速相當(dāng)于一條管道，將次聲約束在這個(gè)低速層中從而形成次聲導(dǎo)波。大家可以簡單理解成為光在光纖中的傳播。

現(xiàn)在我們已經(jīng)清楚了次聲的信號來源了，那么它為什么會(huì)出現(xiàn)頻散現(xiàn)象呢？也就是不同的頻率次聲下，其波速不一樣。其實(shí)這樣一來，我們就可以通過模擬大氣的聲速模型去擬合次聲的真實(shí)數(shù)據(jù)從而得到我們較為可靠的大氣聲速模型。除此之外，由于地震儀測的是聲-地耦合的信號特征，因此次聲信號可以用來進(jìn)行淺地表的簡單結(jié)構(gòu)分析。這其中最重要的就是“compliance”，中文稱柔度。這是由于大氣壓力變化會(huì)引起地表變形，其強(qiáng)度主要取決于地下結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)的強(qiáng)度、傳播速度等。因此可以通過建立地下結(jié)構(gòu)模型去擬合實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，從而去更新速度結(jié)構(gòu)，獲得更加準(zhǔn)確的速度結(jié)構(gòu)等。具體的數(shù)學(xué)物理公式推導(dǎo)，我們這里不再贅述。

因此，如果對類似這樣的信號去更加細(xì)致分析，可以同時(shí)約束大氣和淺地表的速度模型，真可謂一舉兩得的手段。

編輯：黃飛