人类首次听到火星地震！洞察号在火星干大事，却栽在 “打洞” 上？

上文书我们讲到了好奇号火星车。就在好奇号火星车发射后的第二年，也就是2012年，美国人在地球物理联盟的秋季会议上宣布了火星2020项目。这个项目包括毅力号火星车和机智号火星直升机，以及新版的太空吊车。最主要的就是这三部分。

毅力号和好奇号长得差不多，本来就是同一伙人设计的，而且核动力部分也是用的好奇号的备份组件，很多零部件都是通用的。可以认为毅力号是好奇号的升级版。但是机智号无人机就是个新创举了，这家伙昵称叫“小机灵”，是个共轴反桨的直升机构型，这东西可以说面对着不小的技术挑战，因为火星大气太稀薄，飞行本身就很难。

总而言之，2020年注定是火星探测历史上重要的一年，因为在这个探测窗口，有3个国家要发射探测器，首先就是美国人的毅力号，其次是阿联酋的希望号，以及咱们中国人的天问一号。

我国要一次性完成探测器的环绕和着陆，此前也没有经验，难度是最大的。美国人此前已经有好几颗环绕器了，他们只需要发射着陆器就可以。但是他们带了个新鲜玩意儿，也算是有所创新，也有挑战需要面对。阿联酋希望号的难度并不大，出了事也是别人的锅。因为阿联酋的希望号只是环绕器，并没有携带着陆器，而且大家都明白，这东西他们主要负责出钱，技术都是别人提供，探测器主要是美国人制造，发射用的是日本人的火箭。失败也是别人的锅。

当然啦，美国人手头项目比较多。一边要走重资产路线，花大价钱去研究火星车，另一方面，他们也没有放弃所谓的多快好省型项目，尽管所谓的多快好省也并不是真便宜。凤凰号探测器的接班人洞察号就此上线，2018年发射，恰好安排在了毅力号之前。

洞察号在调试太阳能板

凤凰号有的那些功能，洞察号基本上也有。但是洞察号多了两样东西，一样叫做“内部结构地震实验”，缩写叫“SEIS”，说白了就是个地震仪。另外一个叫“热流和物理特性包”，缩写HP³。这东西本质上就是个打洞的钻头，按照NASA的设计，这东西需要钻进地下5米深的地方，测量火星的热量散失情况。道理也很简单，既然火星在逐渐冷却，内部热量在不断的流失，内部肯定会比外部温度要高一点。要想探测这种温度梯度，就必须往地下打洞。

所以啊，InSight这个词被我们翻译成“洞察号”还真是一语双关。可不就是“打个洞，察看一下”嘛。总而言之，这两种仪器都是为了研究火星的内部结构而设计制作的。你要了解火星，不能只看脸，只拍照，你还得摸一摸温度，量一量心跳。

洞察号的探测器平台是美国人做的，但是这两样关键仪器是欧洲人多国合作的产物。地震仪是由法国航天局设计和生产，巴黎地球物理研究所、瑞士联邦理工学院、马克斯·普朗克太阳系研究所、伦敦的帝国理工学院、高等航空与太空学院和喷气推进实验室参与研发的。说白了，这东西就是个加速度计，能够测量XYZ三轴加速度。火星上的轻微震动都能被它探测到。

SEIS 地震仪的剖面图

过去，美国人在海盗2号着陆器上也带了地震仪，但是这种地震仪无法屏蔽探测器内部产生的各种干扰震动。这次洞察号就不一样了，人家这台地震仪是安装在洞察号的体外。洞察号和凤凰号一样，不是都带着那种挖土的机械臂吗？头上装个挖斗，乍一看跟小号挖掘机似的？这回啊，这个铲子还能兼任吊车，可以把这个地震仪吊放到距离洞察号本体远一点的地方，用软线和本体连接。

同样，那个打洞的钻头，也是单独吊放到洞察号旁边，用软线和本体连接。这样安排，都是为了防止洞察号本体造成的干扰。

地震产生的P波和S波如何因核心而形成阴影区

根据人类在地球和月球上的观察经验。了解地下结构，最好的办法就是通过地震波。比如地核月核这样重要的星体内部结构都是依赖于地震波的探测。另外，火星表面上那层土到底有多厚，也是这次探测的重要内容。因为土层厚度实际上反映了火星表面地质和地貌的演化过程。

但是火星上的火震仪所面临的问题和地震仪以及月震仪都不一样。因为每个星球上都有各种各样的杂音。地球上的地表杂音来源特别复杂，其中低频部分就包含了大气海洋所产生的振动干扰。高频部分往往就跟人的活动有关系，人又不是停在那里不动人，毕竟是要到处溜达的，脚步声就算是高频了。广场舞大妈整齐划一的脚步，那也算是干扰之一。再说了，人类还需要改造自然呢，我家楼里又有人装修了，电钻就没停过。这些事儿都会造成震动干扰。

月球上相对来讲就非常的单纯了，它既没有海洋也没有大气，更没有人类活动产生的各种噪音。但是，月亮经常遭到陨石的撞击。谁叫它没有大气层呢，哪怕芝麻粒大小的陨石都能直接撞到月球表面。

火星上的环境比月亮稍微复杂一点，比地球稍微简单一点。毕竟火星上没有海洋，没有海浪潮汐，这种低频噪音是不存在的。但是，你别看它气压低，火星的大气活跃程度远远超过了地球。因此风力啊，气压变化呀，或者是刮尘卷风啊，这种现象在火星上都是存在的，它都可能造成噪音。

所以洞察号探测器的落点选择就变得非常关键，首先这个地方需要有足够强的太阳光照，所以最好是在赤道附近。同时这个地方的地质活动要比较平稳，本底噪音比较低。同时这个地方最好风要小一点。大家选来选去，着陆地点定在了埃律西昂平原上的一个陨石坑里。

洞察号用宇宙神5号火箭，从加州范登堡空军基地发射

2018年的5月5号，洞察号从范登堡空军基地发射升空。这枚探测器在星际空间足足飞了6个半月才到达火星。11月26号，洞察号开始着陆进程。为了在着陆过程中保持通讯联系，它还抛出了两个非常小的立方星，负责中继通信。过程相对来讲比较顺利，着陆之后几个小时，火星轨道上的火星奥德赛号探测器就已经接收到了洞察号发出的无线电信号，这说明它的太阳能电池板已经展开，而且无线电装置可以顺利工作。

从落地开始，洞察号上的气象探测器就已经开始工作了，就开始向地球发回各种火星上的天气数据。洞察号上带了高精度的麦克风，所以我们有幸听到了洞察号从火星上发回来的火星风声。现在大家听到的是空气吹过洞察号太阳电池板的时候发出的声音。只不过这个声音的频率实在太低了，科学家把这个声音提高了两个8度，才能让我们的耳朵听到。

到了12月份，洞察号上的各种仪器基本上都已经开机工作了。现在要把最重要的地震仪吊起来放到凤凰号的旁边。这个地震仪还配备了一个防风罩，用来隔绝火星大气的干扰。在洞察号着陆大约70个火星日之后，这台地震仪终于开始连续记录数据了。

火星上也存在着断层等等地质结构造成的活动，但是火星的构造活动显然比地球要弱的多。火星在逐渐的冷却，这个过程中也可能因为局部应力释放引起震动。不过呢，大家发现火星上的地震级数实在是太小了，最高只有4.7级。正因为震动强度太小，衰减太快，所以根本没有办法对火星最核心的部分进行探测，地震波传不到那里，就已经衰减光了。

SEIS 地震仪吊放

正因为火星上的地震级数太小了，因此信噪比不高。主信号太弱，干扰信号太强，这就造成想剔除那些干扰，变得麻烦无比。咱们在地球上可以布置一个庞大的地震台网。我们可以多方位对地震波进行检测，因此可以利用这个台网的数据计算出震源到底在哪儿？位于地下多深的地方？但是在火星上只有洞察号这么一个家伙带着地震仪，它只能实现单点探测。它可以从p波与s波的传播时间差来计算出地震发生在多远的地方。

2019年4月份第1次探测到火星的地震信号，这也是人类第1次在地球以外的行星上听到了地震的信号，别看海盗2号也带着地震仪呢，但是他那个地震仪纯粹是个摆设，啥也没听见。没记录下任何有效信号。洞察号所记录的这个地震信号是人类的首次。

在后来的日子里，洞察号前后一共听到了上千次轻微的震动。地面上的科学家们根据这些数据，大致描绘出火星的地壳厚度大约是24~72公里，液态核心的半径大概是1830公里，着陆点的磁场强度大概是预期的10倍。所以说呀，火星的内核发电机看来是真的比较弱，但是也还没完全死透呢。

地球、火星和月球内部的比较

另外火星上经常会有尘卷风出现。咱们地球上也经常可以看到尘卷风。这次我在青海带着小朋友们穿越柴达木大沙漠的时候就亲眼看到了尘卷风。说白了这东西的表现形式跟龙卷风有点像，只不过龙卷风经常发生在强烈的雷雨天。尘卷风通常是大晴天发生的。但是这个垂直旋转的管状空气墙之内都是低气压，起码比周围的空气压力低得多。

尘卷风通常威力都很小，没什么破坏作用。但总比一般的刮风要强不少。洞察号上的地震仪可以探测到这种非常强的大气压力变化。对于火星上一个典型的5米直径的尘卷风而言，风眼中心对地面的大气压会减小810公斤。对于特大型尘卷风来讲，中心附近的地表压力甚至会减少300吨。

尘卷风在火星表面留下长长的影子

因此这种气压变化造成的震动很容易就被洞察号给探测到了。对于这种气压的突然变化，我们可以通过记录地表的振动波形来分析火星表面土层的柔软度。

除了气压变化造成的地表震动，小天体撞击也是震动来源之一。小行星撞击是个偶然事件，这玩意儿就是撞大运，规律性就比较差。洞察号探测到的撞击事件。可以达到每地球年0.1~30次，这个差异实在是太大了。按科学家的计算，不该有这么多的震动。很有可能是小天体在穿入火星大气层的时候，已经破裂成了多个碎片。于是就造成了很多次撞击。正因为这些撞击变得七零八落的，所以你就很难确定撞击点到底在哪儿。

小行星撞击引起的单次冲击波对探测火星内部结构是很有用的。只有精确确定撞击点，你才能对冲击波的传播进行有效分析。如果你弄的跟撒胡椒面一样，到处都是，那这玩意就没太大作用了。这也是洞察号所面临的困境之一。

火卫一

另外，火星的那颗卫星火卫一距离火星表面只有6000公里高，所以它的公转周期非常快，只有7个多小时。你别看它小，它对火星地壳也会产生万有引力。这种万有引力也会使得火星地壳发生变形，发生震动。这种震动也会被洞察号所探测。你还得剔除这个家伙所造成的干扰。这种困扰对于地球和月亮来讲，基本上都可以忽略不计。这个问题也是火星上独有的麻烦。好在火卫一引起的震动是周期性的。只要有周期有规律，那么咱们就有办法把它剔除掉。

不管怎么说吧，对于洞察号来讲。探测火星地震这件事，它办的相当漂亮，但是在火星上打洞这件事，它办的就非常的不顺利。那个代号叫做鼹鼠的钻头啊，它怎么都打不进去。

我们在火星上打洞是不可能带着长长的钻杆往下钻的，火箭上实在装不下那玩意儿。工程师们必须制造一个自己会往下钻的小钻头，尾巴上面只要拖一根电线。就行了。这个钻头长度为40公分，整体是由钛合金制造的。在钻头内部带着一个小锤子，由弹簧驱动。电动机负责上弦，等到弹簧充分压缩了，然后突然释放。这个过程就等效于拿榔头狠狠的敲了一下，于是这个钻头就会自己往下钻一截。

鼹鼠钻地原理

理想很丰满，但现实很骨感。2019年的2月28号，这个鼹鼠工作了4个小时。这是它单次工作的时间上限，你不能时间再长，再长它就严重发烫了。那4个小时时间，它打了多深的洞呢？它只打了20公分，而且还歪了15度，说白了，它不是直着下去的。按照地面工程师的计划，它4个小时应该打进去70公分才合格，这才哪儿到哪儿啊？

地面的人员马上开始检查数据，发现他5分钟就已经转到20公分的深度。后边那三个多钟头啊，它几乎是寸步没动。工程师们首先想到，它是不是碰上什么硬茬了？难道他出门没看黄历，正好打在一块砖头上？火星上有砖头？

当时的项目组还是挺乐观的，慢点就慢点呗。它毕竟已经打进去20公分了。下次再打洞，咱们就得仔细点。咱们得动用机械臂上以及地震仪上的摄像头好好看看这个鼹鼠到底出了什么毛病。同时德国人拿了一套复制系统，千里迢迢送到了美国加州的JPL，美德两国的工程师一起对这个钻头进行调试，希望能在地面上找到解决方案。

他们一直折腾到4月中旬，两国工程师逐渐意识到问题大了。这不是什么碰上硬茬了，而是因为摩擦力不够。

因为这家伙要能往地下钻，需要一个前提条件，那就是土壤的摩擦力足够大。如果这个钻头内部的小锤子真的是靠重力往下砸，那么什么问题都不存在。但是它偏偏是由弹簧驱动的。弹簧被压缩，当它突然释放的时候，一方面它驱动壳子内部的这个小锤子往下砸，另一方面，反作用力它也会推着整个钻头的壳子往上跳。如果土壤的摩擦力够大，这个壳子跳不起来，靠锤子砸下去的那一下动量，就足够把整个钻头往下砸一截。这种一拱一拱往下钻的过程很像是鼹鼠打洞，所以这个家伙就得了个外号叫鼹鼠。

但如果土壤摩擦力不够，壳子往上滑动，那小锤子砸了可就白砸了。这就变成了自己揪着自己头发，妄图把自己提起来。

给支架挪窝以后留下的脚印

地面上的工程师想了半天。既然是土壤的摩擦力不够，就说明土壤比较松软呗。拿我用机械手的铲子压住土壤，把它压实了，是不是就可以解决问题呢？现在大家又面临着选择，有两个点可以去压。第1个点的效果应该比第2个点好，但是第1个点被支架给挡住了。那好办，咱们可以挪挪窝嘛。用机械手拎着碍事的支架挪了20公分。现在可以用铲子压住土壤，看看鼹鼠能不能钻进去。结果鼹鼠还是钻不进去。

折腾来折腾去，这都已经是2019年的8月份了。到了9月份，火星跟太阳几乎重合，地球没法和火星进行通讯了，所以洞察号就放了一个月的假。等到10月份，新一轮的行动又开始了。

铲子压在侧面，钻头明显往下跑了

既然是侧面的摩擦力不够，那么我就拿铲子顶住钻头的侧面。这次总算有了成效，这个鼹鼠又艰难的向下钻了两公分。到了10月下旬，这个钻头居然又从土里滑出来了，等于前几个月全白干了。

鼹鼠跳出来了

到此为止，洞察号着陆已经325个火星日了，真是一朝回到解放前。接下来的几个月，仍然没有什么进展。那个钻头钻进去几公分，说不定一不小心又跳出来了。到了2020年的2月份。项目组实在是豁出去了，他们用铲子直接顶住了鼹鼠。你不是总往外跑吗？我摁着你，你总跑不了了吧。你别说这招还真管用。这个钻头终于钻到了地面以下。但是现在就尴尬了，钻头已经全部没入土里。尾巴已经和地表齐平，你那个铲子还怎么摁呢？

地表上的工程师又想了很多的办法。那是不是往上面堆一点土，能够把这个鼹鼠给压下去？大家试了试，发现屁股后面的电线。没有被拉紧的意思，也就是说它压根没往下钻。如此往复，又折腾了快一年。一直到了2021年的1月9号。这只勤奋的鼹鼠还在那里不断的敲击，就是没法往下钻一寸。

最后的尝试，用铲子直接压住鼹鼠

地面上的那帮工程师，连死的心都有了，在外星上搞钻探就这么不顺利吗？难道只有人类宇航员才能完全胜任打洞的工作吗？想当初，阿波罗的宇航员曾经在月球上钻到3米深，但那是人手干的，不是机器干的。

更加打脸的是，就在一个月之前，咱们的嫦娥5号就顺利的完成了月球钻探，成功的从地下取得了月壤的样本，这不就事无人探测器在外星球钻探成功了吗？咱们怎么就没遇上这些麻烦事呢？怎么就你德国人遇上呢？

有关这档的事儿，咱们下回再说。