基于火星地震的地震波衰减，火星半球二分法对流起源的说明。图片来源：uux.cn/Sun and Tkalčić, 2024.

（神秘的地球uux.cn）据美国物理学家组织网（汉娜·伯德）：火星和地球一样有北半球和南半球，但它们的定义特征明显不同，这种现象被称为火星二分法。南部高地比北部低地更古老，海拔更高，陨石坑更多。前者的高地地形是气流的天然屏障，导致风向变化，并导致局部天气现象。

对这种二分法起源的解释主要围绕来自太空的巨大撞击物（直径约2000公里）和地幔温度和密度差异引起的地幔大规模对流运动。

发表在《地球物理研究快报》上的研究试图通过研究火星地震来进一步解开这一起源故事。就像在地球上一样，这种地震活动可以用来探索火星表面下的驱动机制。

中国科学院地质与地球物理研究所的孙教授说：“地球和火星通常被认为是姐妹行星，它们是在同一时期（45亿年前）形成的，都位于我们太阳系的宜居带内。为什么地球上充满了生命，而火星目前看起来如此沉默，没有生命？”。

“我们认为，这两颗行星之间的对比源于它们内部结构和过程的差异。考虑到这种二分法是火星表面高度和内部结构最显著的特征之一，我们希望通过调查二分法的原因来找到这个问题的答案，并试图解决一个困扰科学家50年的难题。”

澳大利亚国立大学的Tkalčić教授进一步解释了该项目的意义：“虽然地球深处的图像越来越模糊，但我们仍然不了解其他类地行星的内部。”。“在这项研究中，我们使用InSight地震仪记录的地震波探测了火星内部，就像我们在地球上通过地震一样。

“了解太阳系取决于我们对地球的了解，反之亦然——了解我们的行星邻居将使我们能够探索地球的过去、现在和未来。”

为了研究这一点，孙和特卡尔契奇教授使用了2018年至2022年美国国家航空航天局InSight任务期间记录的低频火星地震数据，该任务旨在研究火星的地壳、地幔和地核。

考虑到火星“只有一个地震仪，可以在有限的时间窗口内记录火星地震和撞击，而在地球上，我们有数千个地震仪可以连续记录地面运动，因此获得必要的数据有点困难。”

孙教授说：“与地球相比，火星的构造活动明显减少，导致地震次数减少，震级普遍较低。此外，地震仪的表面位置使其暴露在日间风中，尽管有保护性屏蔽，但这导致信噪比显著降低。”

通过采用最先进的技术提高信噪比后，研究人员在南部高地的Terra Cimmeria地区发现了一组新的六次地震，并根据地震波如何从这些地震传播到InSight地震仪，将其与北部低地Cerberus Fossae的16次已知地震进行了比较。

随后，科学家们确定了每组的品质因数，这是地震波在穿过火星内部和表面时减弱程度的物理测量。由于Terra Cimmeria的品质因数低于Cerberus Fossae（意味着地震波减弱更多），研究人员确定了南北地震衰减的模式。

因此，他们得出结论，南地幔经历了更高的温度和更低的粘度。南半球较厚的地壳减缓了内部的热量损失，使其更具流动性，从而经历了更剧烈的对流，这也支持了这一点。

孙教授指出：“将地震质量因子与温度相关联的实验数据表明，南部高地下方的地幔温度可能达到约1000°C，而北部低地下方的温度约为800°C或略高。”。

总的来说，孙和特卡尔契奇教授确定地幔对流是火星异常二分法的主要原因，而不是替代假设所暗示的巨大撞击。

但他们的研究仍在继续，孙教授解释了理解当今火星和地球之间显著差异的下一个双管齐下的方法。

“首先，继续我们对火星内部结构的探索，与地球相比，InSight着陆点的地壳估计约为50公里厚，明显比地球的平均大陆地壳（约35公里）和海洋地壳（约10公里或更小）厚。因此，我们将探索为什么火星尽管大小接近地球的一半，但地壳却如此厚。

“其次，我们将在火星上寻找液态水。众所周知，水对维持生命至关重要。有证据表明，火星曾经拥有广阔的海洋；然而，它的大部分液态水可能已经逃逸到太空或被封存在地壳内。为了研究这一点，我们的目标是利用地震学技术来确定液态水是否存在于火星地壳内。

“研究这两个特征可能有助于我们了解火星和地球的不同进化路径，并可能为我们自己星球的潜在未来和最终命运提供线索。”