摘要：过去，对火星探测器“洞察号”（InSight）部署的地震仪探测到的火震数据进行的分析，已经揭示了火星最外层固体岩石层（地壳和地幔）的结构。此外，研究人员还测量了火星金属核的大小，发现它至少部分是液态的。然而，关于火星更深层内部结构的整体图像，仍未完全揭开。

火星的内部结构究竟是怎样的？

过去，对火星探测器“洞察号”（InSight）部署的地震仪探测到的火震数据进行的分析，已经揭示了火星最外层固体岩石层（地壳和地幔）的结构。此外，研究人员还测量了火星金属核的大小，发现它至少部分是液态的。然而，关于火星更深层内部结构的整体图像，仍未完全揭开。

（图/“洞察号”提供的地震数据首次揭示了火星固态内核的存在。）

现在，在一项于近期发表在《自然》杂志上的研究中，中国科学技术大学的科学家利用“洞察号”任务获取的火震数据进行了进一步分析，证实了这颗红色星球存在一个坚实的固态内核。

追踪地震波

在新的研究中，研究人员利用“洞察号”探测到的震相，绘制了火星核心的结构示意图。在所有穿过火星核心的震相中，他们重点分析了两种：P’P’波和PKKP波。

这两类都是由“火震”产生的P波，它们从震源出发，穿过火星的地壳和地幔进入地核。不同之处在于，P’P’波会穿过地核，到达火星另一侧的表面后反射回来；而PKKP波则是在核-幔边界发生反射。

如果火星存在一个固态内核，还会出现第三种震相——PKiKP波，它是由P波在外核与内核的边界反射所产生的。

当地震波在行星内部传播时，遇到性质不同的层面会部分在边界反射，部分折射进入下一层。这意味着一束地震波可以分裂成多个信号，这些信号被称为“震相”。（图/Nature）

固态内核的证据

这次，研究人员利用了“洞察号”观测到的23次火震数据，识别出了深入传播到火星核心最深处的P波震相。

分析结果显示，他们观测到的地震波与理论预测的P’P’震相和PKKP震相的性质一致。值得注意的是，实际探测到的PKKP波，比假设核心是完全液态时预计的到达时间提前了50～200 秒——这是符合物理规律的，因为P波在固体中比在液体中传播得更快。这一显著提前的抵达时间表明，火星核心在靠近中心的部分具有更高的波速，暗示那里存在固态内核。

此外，研究人员还探测到了PKiKP震相的地震波，这一信号为火星存在固态内核提供了直接证据。与此同时，研究人员还进一步在单个火震事件的地震记录中，识别出了这些波相。

根据所测地震波的传播时间和振幅，研究人员进行了“反演分析”，以推断出最能解释这些数据的火星内部结构。他们发现，火星的固态内核半径约为613千米，约占火星半径的18%。分析还显示，在外核与内核之间，火星的密度增加约7%，P波速度提高了约30%。

意义与展望

由于这项分析仅依赖于少数几次具有足够的信号幅度、能够与背景噪声区分开的火震事件，因此这些核心参数仍存在一定的不确定性。

尽管如此，这些结果依然为理解火星的内部结构和演化提供了重要的科学启示。它为我们理解火星内部的温度分布和化学成分提供了重要线索。更有意思的是，它还把火星过去磁场的兴衰，与内核的形成联系了起来。

磁场是由行星内部的“天然发电机”驱动的，而火星的经历或许能帮助我们理解：为什么有些行星能维持磁场，保护大气与水源，孕育出适宜生命的环境，而另一些行星却失去了这一切。

#参考来源：

来源：原理一点号