次声还能探火星？

标题中有两条信息，一条是次声波，一条是火星。网 到底是一种什么样的关系呢？ 这就是我们今天要讲的故事。 本文主要内容来自文章：High-on Mars。

首先我们要弄清楚次声波到底是什么？ 次声一般是指频率低于20Hz的声音，人耳一般听不见。 次声波的波长很长，传输距离很远，能量损失小，穿透力很强。 其来源也有很多，例如火山爆发、地震、海啸等。 从次声波的特性我们可以知道，次声波的传播距离及其能量损失使得它可以在距离事件发生较远的地方被一些仪器探测到。 这声音和火星有什么关系？ 这是一次非常偶然的陨石撞击事件。

火星（来源：NASA）

关于NASA的，这里不再赘述。 它所带来的火星信息，使人类对火星的研究取得了巨大进展。 这里我们只讨论陨石撞击事件的数据。 由于携带地震仪，因此可以随时监测火灾地震及相关活动。 其中，陨石撞击事件的定位结果显示，其位于洞察号的东南方向，两者之间的距离为85.1公里。

位置和陨石撞击事件位置（Xu 等，2022）

它与火星表面和大气相互作用，产生地震波和次声波。 地震波在 0 到大约 200 秒之间可见，而次声波在 200 秒后可见。 在下图中，您可以看到事件的数据和示意图，包括地震仪的垂直分量数据及其频谱。 我们可以看到，在蓝色框中，色散信号非常明显，而且在波形上也非常明显，甚至比之前的直接冲击信号还要强。 因此，文章作者给出了如下图这样的模型来解释次声的信号过程。

次声传播模型和地震仪数据（Xu 等人，2022）

陨石撞击会产生两个信号源，一个直接在地下传播，然后到达地震仪，两个在大气底部的大气中传播，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网传播速度比在空气中快得多，因此地下振动信号比次声信号早得多。 这里我们还必须谈谈为什么会形成这样的次声导波？ 声速分布是关键。 火星大气中的声速大约是多少？ 由于火星表面在夜间冷却很快，高空风速也很大，因此在表面附近可能会产生低速声层。 这样的低速层相当于一根管道，次声被限制在这个低速层中，形成次声导波。 你可以简单的理解为光在光纤中的传播。

光纤图（来源：Bing）

既然我们网已经确定了次声信号的来源，那么为什么它看起来是分散的呢？ 也就是说，不同频率的次声波，其波速是不同的。 事实上，这样我们就可以通过模拟大气声速模型来拟合次声的真实数据，从而得到我们更可靠的大气声速模型。 此外，由于地震仪测量声地耦合的信号特征，次声信号可用于浅层表面的简单结构分析。 其中最重要的是“”，中文叫柔软。 这是因为大气压力的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和传播速度。 因此，可以建立地下结构模型来拟合实际观测数据，从而更新速度结构，获得更准确的速度结构。 具体数学和物理公式的推导这里不再赘述。

因此，如果对这样的信号进行更详细的分析，就可以同时约束大气层和浅层表面的速度模型，这实在是一石二鸟的手段。

参考