由于火星的理化性質、物質組成和内部結構與地球十分相似，開展火星探測對于研究地球的形成和演化具有重要參考意義。近年來，火星探測項目在國内和國際上越來越受到重視，相繼有“洞察号” (InSight, 2018)、“天問号” (Tianwen-1, 2020)、“毅力号” (Perseverance, 2020) 成功登陸火星進行科學探測研究。截至今日，探測星體内部結構最有效的方式是基于地震波的地震學觀測，而“洞察号”是火星上唯一的台站式科學探測器，其配備的高精度火震儀為研究火星内部結構和演化曆史提供了前所未有的寶貴機會。然而，火星的地震觀測環境與地球差異巨大，尤其是稀薄大氣在太陽輻射下會産生劇烈的風暴活動，這可能會對火星地震觀測産生影響。

       為了評估火星觀測環境對地震背景噪聲的影響，beat365王彥賓教授課題組利用“洞察号”地震觀測數據開展研究，首次對多個連續火星日内的火星地震背景噪聲數據進行了系統性的水平垂直譜比分析，通過與火星氣象觀測數據的對比分析，發現了地震背景噪聲與當地氣象環境條件的相關性，其中風速帶來的影響最為顯著。進而揭示由風力驅動的登陸器自振是地震數據頻譜中噪聲的主要能量來源。結合極性和衰減分析，進一步确認譜比曲線中高頻的峰均來源于登陸器自振模式，譜比曲線相對低頻部分的峰和谷則可能是受地下結構響應的影響。近日，在經過兩年不斷努力後，該研究的最終成果以” Characteristics of Horizontal to Vertical Spectral Ratio of InSight Seismic Data from Mars” 為題發表于Journal of Geophysical Research: Planets 雜志 (DOI: 10.1029/2020JE006813).

圖1 連續2個火星日内水平垂直譜比的時頻變化

       該研究采用地震學時頻分析方法，對多個連續火星日内的火星表面地震背景噪聲數據進行了研究，其中包括了功率譜、振幅譜、水平垂直譜比等數據的分析，并結合地震儀的工作性能噪聲和氣象觀測數據分析了背景噪聲中主要能量的變化模式和可能來源。火星地震觀測數據的頻譜呈現多個日周期性變化的窄條帶，它們的幅值和頻率的波動與風速和氣溫的變化具有較強一緻性。火星背景噪聲的水平垂直譜比值具有日周期性變化和多峰兩大特征。經過以登陸器振動作為源的數值模拟，解釋了這兩大特征主要由登陸器自振引起。利用極性分析研究峰谷頻率附近的地面運動特征，顯示譜比的高頻部分的地面運動主要是位于水平方向的線性運動，且方位角比較固定。這些特征與由風驅動的火星登陸器的自振模式比較吻合。譜比的低頻部分存在垂直方向強于水平方向的地面運動 (2.4 Hz mode)，目前針對該信号的起源存在争議，該研究使用随機減量方法對該信号進行了衰減分析，确認來自高頻範圍的登陸器自振引起的機械振動擁有較低的衰減系數，而2.4 Hz mode的衰減系數明顯更高，這一結果為該信号的自然源假說提供了可能的依據。對于部分已經探測到的火星震事件的譜比分析顯示，沒有發現明顯的地下結構的自然響應。

該研究首次對火星表面連續地震觀測數據的頻譜和水平垂直譜比特征進行了系統性分析，揭示了不同頻率範圍内的地面運動特征，結合譜比和衰減分析，可以解釋地下結構的響應，為進一步約束淺部結構提供了新的參考依據。

圖2 水平垂直譜比最高峰與氣象條件的關系

       該研究工作由王彥賓教授指導完成，第一作者為課題組博士生肖萬博。該工作受到國家自然科學基金委重點項目支持。