Den 5 maj, NASA "InSight"-landaren gav sig av på sin resa till Mars. Detta är det första uppdraget tillägnat att undersöka den röda planetens inre struktur och att svara på några nyckelfrågor som:Varför har jorden och Mars utvecklats så olika trots att deras ursprungliga struktur och kemiska sammansättning verkar så lika? Hur stor, tjock och tät är kärnan, mantel och skorpa? Vad är deras struktur? Forskarna hoppas kunna få grundläggande insikter i den allmänna bildningen av steniga planeter som Mars, Jorden, Merkurius och Venus.

Seismometer för extrema förhållanden

Landaren är utrustad med geofysiska instrument, i synnerhet en speciell seismometer; efter landningen i slutet av november 2018, den här enheten kommer att spela in seismiska vibrationer och överföra data tillbaka till jorden.

Forskare från ETH Zürich och den schweiziska seismologiska tjänsten, som var involverade i utvecklingen av seismometerns elektronik (se ETH News från 5 maj 2018), kommer att vara bland de första att analysera och tolka data.

Forskare från Institutet för geofysik har redan börjat förbereda dessa analyser. På superdatorn "Piz Daint" vid Swiss National Supercomputing Center (CSCS), forskarna beräknade seismisk vågutbredning för ett 30-tal olika Mars-modeller.

För deras modellkatalog, forskarna konsoliderade all tillgänglig kunskap om planeten och använde denna för att beräkna syntetiska seismiska data som kan tas emot från Mars. Forskarna använde sedan dessa data för att utföra ett blindtest, där de publicerade uppgifterna och bjöd in experter från hela världen att tolka dem för att utbyta kunskap och erfarenheter inom detta område.

Universell kod för att simulera vågor

För att undersöka inverkan av Mars-skorpans 3D-struktur mer i detalj, Martin van Driel, Senior forskare vid ETH Zürich, simulerade seismiska vågor på Mars med Salvus, en kod som han utvecklat på ETH tillsammans med sina kollegor Michael Afanasiev, Lion Krischer och Christian Böhm. Denna kod är flexibel och kan användas universellt för frågor om vågutbredning i olika medier i olika skalor.

Mars-simuleringarna körs på "Piz Daint" i realtid den 7, 200 beräkningskärnor – vilket innebär att beräkningarna tar ungefär lika lång tid som de seismiska vågorna behöver färdas genom Mars. Beroende på planetens inre struktur, vågorna färdas med olika hastigheter och tar olika vägar från källan till seismometern. Den tid det tar för vågorna att färdas genom Mars inre kommer att hjälpa forskarna att bättre förstå planetens struktur och bergegenskaper.

Med cirka 10 miljarder frihetsgrader och 300, 000 tidssteg, forskarna lyckades lösa ett avsevärt stort problem. "Utan en superdator som "Piz Daint", att simulera en enda modell på en bärbar dator skulle ha tagit mer än två år – alltså ungefär fyra gånger så lång tid som landarens resa till Mars, säger Böhm.

Visualisering vid uppdragslansering

Forskarna visualiserade en av de numeriska simuleringarna i en video. Detta visades på NASAs presskonferens för raketuppskjutningen på Marsuppdraget. Visualiseringen visar hur vågorna färdas längs Mars yta, kretsar runt planeten och passerar landaren tre gånger. Van Driel förklarar att det är viktigt att mäta vågorna på var och en av de tre passen, eftersom detta kommer att tillåta forskarna att samla information om planeten, identifiera tidpunkten och platsen för Marsbävningen, och för att beräkna dess ungefärliga struktur, alla med bara en seismisk station. Dock, amplituden för den tredje vågen är mindre med en faktor tio; Seismometern måste alltså vara känslig och sofistikerad nog att mäta detta och skalvet måste ha en magnitud på minst 4,5.

På jorden, skalv av denna magnitud genereras främst av plattektoniska processer där kontinentala eller oceaniska plattor kolliderar eller glider förbi varandra. Forskare tror för närvarande att plattektoniken inte är aktiv på Mars. Dock, under loppet av de två åren förväntar de sig att meteoritnedslag eller sammandragningar orsakade av Mars nedkylning kommer att producera seismiska händelser som är tillräckligt starka för att observeras av seismometern.

Tidigare simuleringar möjliggör datautvärdering

Eftersom seismiska vågor på Mars aldrig har registrerats med en så känslig seismometer, numeriska simuleringar är det enda sättet att förbereda sig för datautvärderingen av NASA InSight-uppdraget.

"Vi använder de beräknade modellerna för att kontrollera hur vissa strukturer, såsom jordskorpans tjocklek, påverka mätningarna, " säger Böhm. Modellerna hjälper alltså forskarna att verifiera sina metoder och att bättre förstå seismogram på Mars. Även om de seismiska data som genereras av modellerna liknar markdata vid första anblicken, de subtila skillnaderna är viktiga. Forskarna måste därför bekanta sig med dessa nya data och lära sig att tolka dem.

För att äntligen förstå Mars struktur, ETH-forskarna kommer att jämföra de faktiska mätningarna med de simulerade data. För detta, de kommer att rita på Mars modellkatalog för att se om och hur mätningen förändras, med hänsyn till modellerna, vad strukturerna är och vad alla simuleringar har gemensamt.