Under Apollo-uppdragen på 1970-talet flögs flera seismometrar till månen, där de samlade in data om månens seismiska darrningar under åtta år. Data visade att några månskalv var lika kraftfulla som en magnitud på 5.
Till skillnad från jorden är månen inte tektoniskt aktiv. Månbävningar har olika ursprung:Vissa orsakas av termiska skillnader från dag till natt eftersom ytan varierar i temperatur, andra som inträffar djupare kan orsakas av jordens gravitationskraft, och ytterligare andra orsakas av att månen långsamt svalnar och drar ihop sig med tiden . Att förstå hur, när och var dessa skalv inträffar är avgörande för att planera uppdrag till månen, särskilt om permanenta strukturer som en månbas ska byggas på dess yta.
En ny studie visar att en framväxande ny seismologisk teknologi som kallas distribuerad akustisk avkänning (DAS) skulle kunna mäta månskalv med oöverträffad precision. Eftersom NASA:s kommande Artemis-uppdrag planerar att återvända till månen för att, bland andra forskningsändamål, distribuera nya seismiska sensorer, talar studien för att använda DAS snarare än konventionella seismometrar.
En artikel med titeln "Assessing the feasibility of Distributed Acoustic Sensing (DAS) for moonquake detection", som beskriver forskningen, finns i tidskriften Earth and Planetary Science Letters .
Under det senaste decenniet har professor i geofysik Zhongwen Zhan (Ph.D.) utvecklat DAS, som går ut på att skicka lasrar genom en fiberoptisk kabel och mäta hur laserljuset förändras genom hela kabeln när den upplever skakningar eller skakningar. På så sätt fungerar kabeln som en sekvens av hundratals individuella seismometrar, vilket gör att forskare kan mäta skalv mycket exakt. En nyligen genomförd studie visade att en 100 kilometer lång kabelsträcka skulle kunna fungera som motsvarande 10 000 seismometrar.
Med bara ett fåtal individuella seismometrar långt ifrån varandra på månen, är de seismiska signalerna från månbävningar ganska luddiga, eller "bullriga", som att lyssna på en radio full av statisk elektricitet. Detta beror på ett fenomen som kallas spridning, där seismiska vågor blir mindre tydliga när de färdas genom det pulverformiga övre lagret av månens yta. Att ha flera sensorer – faktiskt att ha tusentals, som en fiberoptisk kabel skulle kunna ge – skulle hjälpa till att klargöra en brusig signal.
I den nya studien, ledd av Qiushi Zhai, postdoktoral forskare inom geofysik, installerade forskarna en fiberoptisk kabel utrustad med DAS-teknik i Antarktis. Sydpolens iskalla, torra miljö, långt borta från mänskliga aktiviteter, är den närmaste analogen på jorden till månen. DAS-sensorerna var tillräckligt känsliga för att mäta de små skakningar som orsakades av att isen spricker och rör sig, vilket tyder på att de skulle kunna mäta månbävningar.
"En annan fördel med att använda DAS på månen är att en fiberoptisk kabel är fysiskt ganska motståndskraftig mot den hårda månmiljön:hög strålning, extrema temperaturer och kraftigt damm", säger Zhai.
Nästa steg är att visa att DAS kan fungera med de begränsade kraftresurser som finns tillgängliga på månen och att utföra mer modellering och analyser för att förstå hur små och avlägsna skalv kan vara och fortfarande vara detekterbara.
För att använda en fiberoptisk kabel som en tät samling av seismiska sensorer, placeras lasersändare i ena änden av kabeln och skjuter ljusstrålar genom de långa, tunna glassträngarna som utgör kabelns kärna. Glaset har små defekter som reflekterar tillbaka en liten del av ljuset till källan, där det spelas in.
På detta sätt fungerar varje ofullkomlighet som en spårbar waypoint längs den fiberoptiska kabeln, som vanligtvis är begravd strax under marknivån. Seismiska vågor som rör sig genom marken får kabeln att vicka något, vilket ändrar ljusets färdtid till och från dessa waypoints.
Således fungerar defekterna längs kabelns längd som tusentals individuella seismometrar som gör att seismologer kan observera rörelsen av seismiska vågor. Att använda telekommunikationsfiberoptiska kablar i hela delstaten Kalifornien, till exempel, skulle kunna vara likvärdigt med att täcka den med miljontals seismometrar, vilket gör det möjligt för forskare att skapa detaljerade observationer av jordskorpans dynamik överallt där fiberoptiska kablar finns i närheten.
Mer information: Qiushi Zhai et al, Assessing the feasibility of Distributed Acoustic Sensing (DAS) för månbävningsdetektering, Earth and Planetary Science Letters (2024). DOI:10.1016/j.epsl.2024.118695
Journalinformation: Earth and Planetary Science Letters
Tillhandahålls av California Institute of Technology
