火星聲音很難遠距離傳播,與大氣特殊成分有關

2022年08月12日08:19

  據報導,目前,美國宇航局“毅力號”火星車首次通過傳聲器捕捉到火星聲音,一項最新研究揭示了關於火星聲學和聲音特徵的重大發現,使人們更全面深入地認知這顆紅色星球。

  1976年7月20日,“海盜1號”火星探測器在火星表面著陸,它是首個成功登陸火星的探測器,隨後向地球傳回兩張清晰的火星照片,照片中的火星表面遍佈岩石,存在與地球相似的沙漠區域,儘管後續其他探測器拍攝到大量火星照片,但在接近50年的時間里,人們對火星的認知僅限於視覺勘測。現在“毅力號”火星車改變了人們對火星的傳統認知,該火星車裝配兩個傳聲器,可使地面工作人員聆聽到火星聲音,探測到火星獨特的大氣層和聲音傳播模式。

  長期以來,天文學和天體物理學等領域的科研人員一直利用電磁波譜(伽馬射線到無線電波之間所有波譜),來探測地外太空環境,相比之下,人類對宇宙聲學探索才剛剛開始……

  儘管研究人員利用聲波測繪地球海底環境,推測大氣層風力模式,跟蹤閃電,以及完成其他科學勘測任務,但是美國宇航局僅在少數太空任務中配備專用傳聲器,據悉,在“毅力號”火星車之前,至少有2次火星任務在設計中都安裝了傳聲器,第一次安裝的傳聲器是1999年美國宇航局“火星極地號”著陸器,不幸的是,它在火星表面墜毀;第二次安裝的傳聲器是2007年發射升空的“鳳凰號”火星探測器,但是傳聲器未順利啟動,記錄火星聲音的任務再次以失敗告終。

  直到2021年初,伴隨著“毅力號”火星車著陸火星表面之後,研究人員才開始拚湊火星表面的環境聲音,2022年4月1日,《自然》雜誌發表研究報告稱,“毅力號”火星車首次捕捉到火星聲音,目前人們可以在美國宇航局網站收聽到奇妙怪異的火星聲音。

  捕捉火星聲音

  該研究作者之一、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室博士後巴蒂斯特·齊德(Baptiste Chide)稱,我們耐心說服了美國宇航局,讓該機構相信在毅力號有效載荷中添加傳聲器具有重要價值。

  在行星科學家西爾維斯特·莫里斯(sylveststre Maurice)和戴維·米蒙(David Mimoun)的幫助下,2020年,齊德取得了法國圖盧茲大學博士學位,他們與洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一個科研團隊合作,設計了超級相機(SuperCam),隨後超級相機安裝在“毅力號”火星車桅杆上,該火星車其中一個傳聲器就安裝在超級相機上,另一個傳聲器則安裝在火星車側面的相機上。

  齊德在博士生期間研究方向就是設計太空探測裝置,他們設計的傳聲器被美國宇航局採用,儘管傳聲器裝配在火星車上風險較高,但美國宇航局仍信心十足,認為它具有一定的科研價值,齊德說:“我的博士論文課題就是傳聲器設計,這是一個冒險的賭注,但也是一個有高回報的賭注!”

  沒有人類和動物的喧囂,火星幾乎是一顆寂靜星球,只有陣陣疾風,因此,毅力號任務超級相機團隊決定分析捕捉神秘的火星聲音。超級相機的部分任務是使用激光轟擊附近岩石,並記錄反射聲波和相關光學信號,從而確定火星岩石硬度和化學成分,此外,揚聲器還能接收到更遠處的聲音,包括:美國宇航局“機智號”火星直升機葉片的嗡嗡聲,這是第一架在其他星球實現動力控制飛行的直升機。

  破解火星噪音

  依據火星激光器和直升機產生的噪音,研究人員能夠確定火星聲速比地球聲速慢,此外,不同頻率的聲音以不同速度傳播,在地球上,聲速達到1236千米/小時(343.2米/秒),但在火星表面,高音聲速達到900千米/小時,低音聲速則傳播較慢,864千米/小時。此類高低音聲速差異現象也存在於地球,但其頻率超出了人類聽力範圍,因此我們通常不會注意到這種差異。

  齊德指出,低頻和高頻聲音之間的速度差異在遠距離傳播過程中最為明顯,例如:如果我們在火星上參加音樂會,距離舞台幾百米的區域,在聽到低頻信號前幾毫秒會聽到高頻信號,這將導致聲音傳播失真,為了讓音樂傳到觀眾的耳朵,樂隊還必須將音量調至最大,因為火星表面聲音傳播並沒有地球那麼遠。

  事實上火星獨特的聲音傳播模式是由於火星特殊大氣層所致,與地球大氣層主要是由氧和氮構成不同,火星大氣層96%是二氧化碳,而且稀薄,溫度極低,這些因素結合在一起導致二氧化碳分子以一種吸收高頻聲音的方式發生振動,從而阻止火星噪音傳播到更遠的區域。

  考慮到溫度對聲音傳播具有如此顯著的影響,齊德和同事們懷疑火星聲音傳播速度會隨季節甚至一天不同時間段,而出現明顯變化,隨著近期火星沙塵暴氣候臨近,研究人員預計傳聲器將探測到火星風力和溫度變化。超級相機的傳聲器具有前所未有的靈敏度,比之前火星記錄壓力波動範圍精準1000倍,因此,該傳聲器能感應到叫做“微湍流”的微型風漩渦,它攪動著塵埃,塑造著火星地貌,混合了火星大氣中的化學物質和溶膠,並通過吸收太陽輻射來控制火星表大氣溫度。

  刷新認知理論

  在“毅力號”火星車捕捉到火星聲音之前(相關錄音文件時長不到6小時),科學界對於火星聲景模型的認知程度僅是理論概念,甚至部分研究人員提出相互矛盾的預測。美國路易斯安那大學拉斐特分校物理學家安迪·佩特勒斯庫(Andi Petculescu)擅長研究行星大氣的聲學特性,他認為,這項最新研究是一個“認知突破”,將有助於研發更一致的火星聲學模型。

  考慮到低溫、稀薄、富含二氧化碳的火星大氣層會使火星聲學模型顯得“不太友好”,佩特勒斯庫對火星傳聲器獲得如此清晰信號感到驚訝,在接受媒體採訪時,他建議未來太空飛船儘可能裝配聲學傳感器,從而更多地瞭解其他星球大氣的聲學特徵。例如:土衛六擁有密度較高的大氣層,以及豐富的背景噪音記錄,包括:甲烷暴雨。據悉,美國宇航局計劃2027年發射“蜻蜓號”探測器任務,它是一個類似直升機的無人機裝置,將飛越土衛六,它在相關氣象實驗中配備兩個傳聲器,能彌補“惠更斯號”探測器之前的勘測記錄。

  該研究報告合著作者、火星超級相機首席研究員羅傑·維恩斯(Roger Wiens)解釋稱,行星科學中的聲學研究日臻成熟,我們正在瞭解聲音在不同星球大氣層中傳播的新模式。

  他強調指出,在未來人類踏上這顆紅色星球之前,深入瞭解聲音物理學對於推斷火星風向、風速之類的信息,甚至通過科學儀器運行產生的聲音來判斷是否出現故障,都是至關重要的。事實上,當人類最終登陸火星表面,可能必須使用無線電等通訊設備進行交流,因為聲音不會傳播很遠。就像人類不能在道路另一側朝著認識的人大喊大叫,更不用說,在火星表面人類必須佩戴著頭盔。

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