今年10月,一只载有三个次声探测器的气球从美国新墨西哥州的索科罗升空。气球在海拔20千米处探测到了风力发电机的声音,这是自冷战以来首次在平流层探测到人类活动的声音。气球乍看上去,似乎与地震扯不上关系。但事实上,要观测地震和其他地质现象产生的低频次声波,最佳地点是高海拔处,这就需要使用气球了。
在华盛顿的美国地球物理联会(AGU)上,研究人员就这项技术的广泛应用前景,包括对海洋现象和金星地震的探测,展开了讨论。
地震通常会产生频率低于5赫兹的次声波,这些次声波可以传播上百千米。次声探测器与其他传统地震探测器一起,构成了核试验的监测系统。然而在地表,次声探测器要探测的地震、火山活动和海洋次声波等信号常常被风噪声掩盖。气球载次声探测器随风飘浮,因此几乎不受风声干扰。除此之外,它们能够探测的距离比地面仪器更远,还能够探索海洋等新环境。由于大气折射效应将低频声音向上聚焦,它们对次声波的探测效果也更好。
美国军方曾在上世纪50~60年代研究过气球载次声探测器,以便监测苏联核试验。但是直到2013年,北卡罗来纳大学教堂山分校的火山地震学家Jonathan Lees和他当时的研究生Daniel Bowman才再次开始测试这项技术。研究小组探测到了大量非地震信号,其中大部分是他们无法识别的。他们意识到,这项技术可能打开科学的宝库。
在AGU会议上,Lees和Bowman(现任职于新墨西哥州的桑迪亚国家实验室)及其同事展示了两幅海报,其中一幅展示了他们先前通过次声频谱识别出的雷声、海洋次声波和一颗流星的数据,以及10月份于海拔20千米处探测到的来自风力发电机的微弱信号。鲍曼认为这些数据是自50多年前的军方研究以来“人类首次在平流层探测到的人类活动声音”。
海报还展示了一只气球飞行一天可采集的多种信号,其中大多数都无法识别。
“我们不知道这些信号是什么,”Lees说,“这可真令人激动,因为有许多东西可供研究。”另一幅海报展示了美国航天局喷气推进实验室(JPL)的Attila Komjathy小组的研究进展,他们的目标是向金星大气层发射次声探测气球。人们对于金星的内部结构知之甚少,而金星的地表温度可达460℃,这限制了地震仪的应用。
不过,如果人们在金星上释放一颗气球,它在金星上空60千米处经历的温度和压力类似于地球,且金星著名的厚大气层使得地表震动比在地球上更易转化为次声。
“假设某一地震信号同时存在于地球和金星上,那么如果我们能在地球上探测到它,在金星上就也可以。”JPL团队成员Siddharth Krishnamoorthy说。但目前为止气球还未监测过自然地震。气球最近一次探测记录是在2017年,由内华达州帕伦普一件13吨重物快速落下引发的一连串弱震,气球在距其300米处探测到了次声波。
Komjathy及同事结合气球上的两个气压计数据,以及气球随风飘动的多个位置信息,开发了一种新的震源定位技术。该团队正在开发升级版的定位技术,这项技术将使用一个气压计和加速度计,从而测量声脉冲导致的气球瞬间移动。接下来,研究小组将在地下300米处的内华达州国家安全中心模拟一场里氏2.5级的地震。他们希望用漂浮于1千米外的气球探测次声波,并通过次声波追踪从被拴住的气球下方经过的地震波。
不久后,Komjathy及其同事将开展一项持续几个月的计划,每天在地震易发区俄克拉荷马州上空放飞多个气球来探测自然地震。初步计算显示,这项研究每周将探测到一次以上的地震,并为该小组模拟金星地震提供数据。一旦在金星上空成功放飞气球,研究者们面临的将是解读金星次声数据的挑战。Lees猜测这项工作会耗费“地质学家50年的工作量”。