如何看待 NASA 預計在 2018 年 5 月發射的「洞察」號火星探測器？與從前的探測有哪些不同？

據外媒報道，美國宇航局（NASA）的火星探測器經常發回紅色星球的驚人影像以及一些不可思議的科學數據。 不過現在NASA已經準備好將要發射另一個火星探測器。NASA計劃在明年上半年發射全新火星探測器InSight（洞察號），其將以探測火星淺層的內部結構為目標。

新聞來源： NASA將在明年上半年發射InSight火星探測器_科學探索_cnBeta.COMNASA將在明年上半年發射InSight火星探測器_科學探索_cnBeta.COM

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謝 @雲舞空城 大大邀。已經到了我大行星地球物理的陣地了，還是擼起袖子認真寫吧。超超超長文預警。

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NASA計劃於2018年5月5日發射一顆名叫洞察號（InSight）的新型火星著陸器。作為NASA的知名摳門項目Discovery Program的成員之一，低成本的洞察號有什麼與眾不同之處？可以為我們帶來什麼樣的新認識？以史為鑒，相比於四十年前阿波羅計劃在月球進行的一系列同類型的地球物理觀測，洞察號有什麼改進和新方案？

〇、深空探測的現有格局

月球和火星，可以說是目前人類除了地球之外投入最多熱忱、探測最多最精細的兩個天體了。對宇宙本能的求知慾，加上各國（其實就是美蘇）曾經喪心病狂的競爭，促使人類在60-80年代的近二十年里向月球和火星（還有金星）瘋狂密集地發射了多種不同類型的探測器，對這倆天體進行了全方位多角度探索。

70年代末期之後雖然沉寂了十幾年，但從90年代開始，各國又再次開始了新一輪競爭，這次蘇聯已經沒落，可是歐盟、日本、中國和印度都踴躍加入了進來。月球和火星至今還是各國競爭的主戰場，雖然如今的競爭已經溫和了很多，更傾向於是合作與競爭並存的局面，例如3近年的很多大型探測器（比如卡西尼號）就是多國多組織緊密合作的成果。

月球探測器（來源：Lunar Exploration）

火星探測器（來源：The Mars Exploration Family Portrait - Explore Deep Space）

競爭思路也很簡單粗暴：人無我有，人有我優。要麼探測之前沒探測過的領域，要麼用更高精度的儀器去更新舊的探測結果。

問題在於，前者的蛋糕就那麼大，已經沒有多少空白可以搶了。行星科學是一門高度依賴探測器的學科，不同目標和類型的探測器和科學儀器，就決定了可以幫我們了解到這個天體的哪些方面。下表總結了目前月球和火星探測器已經探測到的內容，基本上大範圍的、軌道器可以做的內容，之前的探測器基本都已經做完了；而局部的、精細探測，著陸器和巡迴車做的也已經不少。

這樣一看，各國下面幾個將要發射的探測器幾乎是一種理所當然的選擇：美國的洞察號挑了地震和地下熱流觀測，日本的MMX任務挑了兩顆火衛，而中國接下來的火星探測計劃也希望能夠實現環繞-著陸-採樣返回一步到位（貌似最近的宣傳又不提返回的事兒了？）。當然，也不僅僅是因為火星探測還有更多空白，更重要的是，火星才是人類第一顆深深耕耘過的行星啊！人們相信，地球比鄰的這顆紅色星球，應該有著和地球相似的歷史，通過研究火星，可以更好的幫助人類理解內太陽系岩質行星的形成和演化。

「研究火星內部結構，揭示岩質行星的形成」，這是NASA官宣里洞察號的賣點。（來源：NASA | InSight: Introduction）

一、充足的前期準備和經驗積累

1. 對於著陸火星，NASA這二十年來的積累可以說是無比紮實：

1.1. 1996年發射的火星全球探勘者號(Mars Global Surveyor, MGS)更新了火星全球的高程地形數據

MGS的激光高度計獲取的火星全球高解析度地形數據。（來源：改編自MOLA Highres topography）

1.2. 2005年發射的火星勘測軌道飛行器(Mars Reconnaissance Orbital, MRO)更新了全球重力數據、火星全球中等解析度(CTX)和局部超高解析度(HiRISE)的影像數據，並在此基礎上總結了之前所有探測器的成果，於2014年繪製了詳盡的火星全球地質圖。

（左）MRO的多普勒跟蹤數據解算的全球重力場（布格重力異常），紅色為正值，藍色為負值（來源：New Mars Gravity Map）；
（右）最新的火星地質圖，總體來說綠色系是低地，褐色區是高地，極區的藍色系是極區，其他區域的藍色系是盆地，紅紫色系是火山相關區域，黃色系是撞擊坑極其濺射物。各個地質單元的劃分和相對形成年代判定的主要依據是參考影像和地形數據得出(1) 的地貌之間的疊置關係，(2)撞擊坑統計定年；部分區域還會參考各種光譜數據、著陸器數據來綜合判斷。（來源：Geologic Map of Mars）

1.3. 2003年發射的勇氣號和機遇號火星車，2007年發射的鳳凰號著陸器，2011年發射的好奇號火星車，它們不僅對火星局部區域進行了深入細緻的考察，也為後續的著陸器和火星車提供了寶貴的經驗。洞察號的設計，就很大程度上直接繼承的鳳凰號，這也是洞察號可以如此低成本的重要原因。

火星著陸器和火星車。時間為探測器的著陸時間。紅色代表火星車，藍色代表著陸器，加粗代表現在仍在工作。（來源：Exploration of Mars | Wikiwand）

（左）鳳凰號的俯視圖和正面圖（來源：Phoenix (spacecraft) | Wikiwand）；（右）洞察號的俯視圖和正面圖（來源：NASA | Insight: Introduction 和 NASA Approves 2018 Launch of Mars InSight Mission ）

以及下表其他參考的數據……這些充足的準備，都成為了洞察號科學選址的重要基礎。

2. 洞察號會著陸在哪裡？

和之前這些火星著陸器不同，洞察號是一枚地球物理探測器，因此，洞察號的選址比NASA之前幾枚火星車和著陸器要純粹得多，它幾乎不需要考慮具體的科學目標（比如好奇號著陸在蓋爾撞擊坑是為了尋找水和生命、鳳凰號著陸在北極是為了探測極區水冰，巡迴車還需要考慮整個路徑的安全性和可移動性……這些科學目標本身最先限制了選址範圍），從這個角度來說，洞察號的選址更有代表性。

洞察號選址經過了長達四年的考察和探討。首先是基於工程上考慮（著陸、安全、功能）的初步篩選，例如：

1) 洞察號的任務設計壽命是一個火星年，太陽能必須有足夠的供給，這一要求圈定了緯度範圍：最初是南緯15°-北緯5°，後來又進一步縮小到北緯3-5°；

2) 著陸過程中必須經過足夠厚的大氣層來保證降落傘的緩衝需要，這一要求圈定了高度範圍：低於火星大地水準面以下2.5km；

3) 著陸精確性是以一個誤差橢圓來定義的，要求著陸在這個橢圓區域內的概率可以到達99%以上。考慮到著陸階段大氣層、風和空氣制動的各種不確定性，這個橢圓的大小範圍被圈定為：長軸130km（大致東西向），短軸27km

4) 以及地形要平坦（坡度小於15°）、石頭不能太多、風化層較鬆軟（方便著陸和熱流探測器鑽5m深的孔），等等等等……

初步篩選之後，選定了埃律西昂平原西部的16個區域。

然後才逐區域排除直到選定E9這個區域。

大圖是火星地形圖，紅區代表高處，藍區代表低處，來源：NASA Studying 4 Landing Site Options for 2016 Mars Mission，小圖來源：Finalist Site for Next Landing on Mars

二、洞察號：填補火星地球物理空白

洞察號（InSight），是利用地震、大地測量和熱流的火星內部結構探測器（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport）的縮寫，這樣一看它的探測目標可以說是一目了然了。

1. 關於岩質行星的內部結構，我們目前知道了什麼？

有賴於地球完備的地震波探測，我們已經相當確信，地球並不是一個勻質的球，而是越往深部密度越大，而且在某幾個分界面有明顯的密度和成分差異——也就是我們所知道的地殼、地幔和地核了（下一節會詳細講）。這一結構的形成過程叫做行星的熱分異：行星最初形成的時候，會在放射性元素衰減和外界密集的撞擊之下被不斷地加熱。在這個過程中，較大的岩質行星接受的熱量足以熔融自身，「分離」行星內部的物質。結果是，較重的元素（比如鐵和鎳）向中心「下沉」形成內核；相對較輕的硅酸鹽成分就「浮」上來形成原始幔層，最終形成從內到外密度逐漸變小的「核幔殼」分層結構。

行星熱分異過程。製圖：haibaraemily

我們認為，內太陽系的四個岩質行星：水星、金星、地球、火星（包括月球），應該有著相似的形成和演化過程，它們都經歷過熱分異、都有核幔殼的分層結構，外層以硅酸鹽成分為主、內核以鐵鎳合金為主。當然，實際的分層情況更加複雜，遠不止簡單的核幔殼三層。雖然我們並沒有也不能真的掘地幾千公里（地球也不行）來驗證這個模型，但至少目前月球的地震數據以及其他各個岩質天體的重力數據推算的結果，都和現有的分層模型都非常符合。

2. 我們還不知道什麼？

我們雖然知道岩質行星內部有分層，密度會隨著深度而增加，但這還遠遠不夠。三個最重要的問題還需要解決：1) 到底分了多少層； 2)每一層的固液性狀是怎樣的；3) 每一層有多深，這體現了不同天體在熱演化和熱分異過程中的差異。

當然，對於地球，這個問題我們還是解決得不錯的（下面一節細講），我們明確知道地球至少有地殼、軟流圈、上地幔、下地幔、液態金屬外核、固態金屬內核這幾個分層，每個分層的深度也都比較明了。

對月球，有賴於阿波羅號的幾台月震儀，我們好歹對月球內部的結構有了較為清晰但也還有很多不確定的認識，我們認為月球薄薄的月殼下面，至少有有上月幔、中月幔、下月幔（部分熔融層）、液態外核和固態內核這幾個分層。

（左）地球的內部結構（來源：Lithospheric mantle | Wikiwand）；（右）目前認為的月球內部結構（Weber et al., 2011）

到了火星嘛……連地震數據都木有了，那就只能完全依賴於地球物理（主要是重力和自轉）數據的反演了（詳情可見haibaraemily：如何對一顆星體進行詳細觀測？這個回答）。殼幔核的基本結構應該是有的，重力數據反演的火星殼厚度也是基本知道了的，但再往深處每層有多深？MGS和MRO的重力數據顯示火星也有一個液態外核（Scientists Say Mars Has a Liquid Iron Core 和 New Mars Gravity Map），這是真的么？

我們已經知道，岩質行星因為內部有足夠的熱量才會發生熱分異，但隨著內部熱量的散失，它們都在逐漸冷卻，但不同天體、不同地層的熱量損耗形式和效率還是有差異的。火星表面已經沒有什麼大規模地質活動了，那火星內部還有多少熱？火星的熱量是以什麼樣的形式和速率耗散的？火星的熱演化歷史是怎樣的？為什麼火星幾乎沒有板塊活動？

這些就是洞察號主要想要解決的問題了。

3. 洞察號要做什麼？

為了解決上面這兩個問題，洞察號配備了一台火震儀和一台熱流監測儀來專門探測火星內部的分層結構和熱能情況。

洞察號的火震儀和熱流監測儀（來源：NASA | Insight: Introduction 和 NASA Approves 2018 Launch of Mars InSight Mission ）

下面兩節就讓我們來細說這兩台儀器。

三、精確探知固態天體內部結構的手段——地震波

地震雖然是令人痛惜的自然災害之一，但同時也是大自然給予人類認識世界的偉大饋贈。地震波在不同介質中傳播時會發生折射，致使地震波在不同介質傳播時的方向和速度會不斷發生變化，僅憑這個簡單的原理，人類知道了地球的內部結構。

1. 殼幔邊界——距震中不同距離的地震台站測得的同種地震波波速不同

地震波（這裡都只說P波）在幔層的傳播速度比在殼層快，由此產生了一個神奇的現象：區域範圍內，如果地震波的路徑中更多的經過了幔層，那麼離震中較遠的台站有時候比離震中較近的台站測得的波速還要快！也就是說，通過區域範圍內幾個台站的地震波走時聯合計算，可以反算這個小區域內的殼幔邊界（局部殼層厚度）。這個殼幔邊界最初於1909年被克羅埃西亞地質學家莫霍洛維奇發現，所以也叫莫霍面。

紅線和綠線是兩條不同的地震波，離震中較近的台站，紅線的地震波先到，測到的是地震波經過殼層的走時和速度；而離震中較遠的台站，由於地震波在幔層的傳播速度更快，反而綠線先到，測到的是地震波經過一部分幔層一部分殼層的走時和速度（來源：Seismic Study of Earth』s Interior）

2.核幔邊界——消失的S波

我們能夠知道地球不僅是殼幔，內部還有更加複雜的結構，有賴於發現了另一個神奇的現象：位於震中的地球另外半邊，有些區域的台站會觀測不到（某些）地震波！

這就涉及到地震波的另一個性質了。總體來說，有兩種地震波：P波和S波。兩者最重要的區別是：1）P波較快（先探測到），S波較慢（後探測到）；2）S波不能通過液體。

有了更多分布於不同區域的地震台站數據，人們發現：距震中100°以外，完全觀測不到S波，這表明地震波到了一定的深度遇到了液體——液態外核被發現；距震中140°以外，又再次觀測到了直達P波——固態內核被發現。核幔邊界也以液態外核的提出者，美籍德裔地震學家古登堡的名字命名為古登堡面。

（左）P波和S波的區別（來源：P wave and S wave ）；（右）距震中約100°以內的台站，可以觀測到直達P波和S波；距震中約100-140°的台站，觀測不到直達P波和S波；距震中約140°以上的台站，能觀測到直達P波，觀測不到S波（來源：Seismic Study of Earth』s Interior）

地震波探測地球內部結構的基本原理其實這個回答dong shi：人類是如何知道地幔、地核的組成的？已經說得非常好了，而我這裡對一些細節做了解釋，是為了說明一點：地震台站的幾何分布和布站密度有多重要！

如果震中和台站都在同一個小區域內，我們可以通過走時差異反算局部殼層厚度，但如果想要知道幔層厚度，內核直徑，就必須震中和台站位於固態天體的兩側才行了（當然震級要夠大）。更重要的是：你還得知道震中位置在哪裡……

也就是說，如果想要充分知道每個區域的核幔殼厚度，就需要全球監測的震中位置和均勻而廣泛的全球台站網，而如果我只有幾個台站，靠的還很近，還很難確定震中在哪兒……那麼可以探測的內容就比較有限了。

恩，阿波羅的月震儀們說的就是你們！

3. 月震儀——很多嘗試，很多遺憾

目前地球以外的所有天體上，只有月球上有阿波羅著陸階段放過幾個月震儀，也進行過主動式月震實驗的嘗試。

阿波羅11號：安裝了被動式月震儀，但21天後就停止工作了。

阿波羅12號：安裝了被動式月震儀，但登月艙返回階段產生了一次主動式月震（詳見haibaraemily：月球中心（月核）的密度是低於月幔的嗎？），阿波羅13號雖然任務失敗，但也提供了一次主動月震

阿波羅14號：安裝了被動式月震儀和主動月震裝置，但很悲劇的是當時設計的四個爆破裝置一個都沒爆成……只有敲擊式成功了……

阿波羅15號：安裝了被動式月震儀

阿波羅16號：安裝了被動式月震儀和主動月震裝置，幾次爆破式和敲擊式月震都比較成功。

（左上）阿波羅11號宇航員在安裝月震儀；（右上）阿波羅12號的被動式月震儀；（左下）阿波羅14號的整個月面實驗裝置組；（右下）阿波羅14號的宇航員在進行（敲擊式）主動月震實驗（來源：Apollo Lunar Surface Experiments Package | Wikiwand 和 Astronaut Edgar D. Mitchell Operates Active Seismic Experiment）

宇航員們離開月球後，四台被動式月震儀以及其他月面觀測台站在地球台站的遠程控制下繼續觀測。然後……美蘇軍備競賽結束……阿波羅計劃很快就……停掉了……到了1977年，由於經費（主）和能量的雙重原因，四台月震儀和一台重力儀全部被終止，在此期間，這些月震儀記錄下了共12558次月震（包括9次人工月震）。

但由於月震儀數目太少，而且四個月震儀的組網布局非常差（全部扎堆於月球近月面、低緯度區域），造成的後果是：我們很難探測到遠月面的月震，也無法探測到深於1100-1300km的具體結構了，也就是說儘管我們知道內部的分層狀況和各層狀態，但對下月幔和月核的深度和密度還是有很大的不確定性。同時，由於大部分月震記錄都是被動月震，很多月震都無法判斷震中位置。

對此，各國一直都琢磨著要去背面裝個月震儀來完善月震網，不過遺憾的是，由於正面四個月震儀1977年已經全部停止工作了，也就是說，即使將來背面也添加了月震儀，也只能利用正面的歷史數據，而無法進行正背月面的共同觀測了。

（左上）阿波羅任務在月球上安置的幾個月震儀，其中Apollo 11僅工作了三周就壞了，Apollo月震數據主要來自於12, 14, 15和16，Apollo 17處安置了一個重力儀（Kawamura et al.，2015）。（右上）四個月震儀觀測到的月震情況（Nakamura et al., 1982）。（左下）目前認為的月球內部波速和密度隨深度的（粗略）關係(Weber et al., 2011).（右下）月球內部結構（Wieczorek et al., 2006），近月面四個綠色點（A12/14，A15，A16）表示阿波羅號安裝的四個月震儀的緯度。

4. 洞察號的「火震儀」

火震儀SEIS的各個部分，由多個國家合作完成(Mimoun et al., 2017)

4.1 火震儀可以測到什麼震？

目前認為火震儀可以探測到的火星地震有四種：

1) 斷層(faulting)：來自內部冷卻以及大型火山（如塔爾西斯穹頂）引起的地表收縮，這是火震的主要來源；

2) 隕石撞擊是火震的第二大來源，在這四種火震來源中，隕石撞擊是唯一可能被精確定位震源的火震，因此成為了洞察號火震儀的觀測目標。

3)火衛一的潮汐擾動引起的火星表面震動也可以被火震儀觀測到，這個震動的周期和火衛一的周期一致（8個小時），也比較容易可以在長期（1-2年）觀測中推算出來；

4) 大氣影響：火星上的塵暴等等

火震儀可以觀測到的火震種類（British Geological Survey (BGS)）

4.2 火震儀的觀測原理

第3節里我們提到了阿波羅號幾台月震儀因為台站較少且分布密集的種種局限性，顯然洞察號設計的時候已經充分考慮了這一點，在MRO探測器高解析度影像的配合之下，洞察號解決了「如何精確定位震源」這一難題。洞察號的通過地震波探測確定內部結構的過程分為以下四步：

第一步： 確定震源距離。地震儀可以通過同一震源發出的快慢不同的P波和S波到達的時間差來反推地震儀距震中的距離。

第二步：確定震中方位。火震儀可以分別記錄三個方向的震動（垂直，水平東西，水平南北），通過對兩個水平方向的地震波的分析，可以進一步定位震源的方位。

第三步：畫個圈圈找到震中的大致位置。以火震儀為中心，以第一步測量的距離為半徑畫個圈圈，按照第二步中找到的方位確定撞擊坑的大致位置。

第四步：開找！查找MRO的HiRISE影像，以這次火震的發生時間為界，對比之前和之後的影像，如果此處剛好有新舊影像重疊……Bingo！找到準確的撞擊點（震源）位置了！知道準確的震中位置之後，就可以反推這一塊區域下面的結構了！

4.3 單台站火震儀的局限性

然而，上面的步驟雖然非常簡單易行（簡單到火震儀的主辦方之一英國地質調查局打算把這個搜尋工作作為一個面向11-16歲青少年的科學項目之一），但只是非常非常理想的情況。最可能發生的情形應該還是：找不到。

找不到的原因有很多，比如這次火震壓根就不是撞擊引起的……但，最麻煩的還是……這裡很可能壓根就沒有HiRISE的新舊重疊像對……

MRO提供兩種影像：CTX和HiRISE。CTX提供160km×30km圖幅，最高解析度6米/像素的黑白影像，自2006年MRO開始觀測以來，截止到2017年初，99.1%的火星表面被CTX至少拍攝過1次，超過60%的表面被至少拍攝過2次，可是CTX的解析度對於洞察號需要的隕石撞擊事件是不夠的，只可能觀測到非常大的隕石撞擊。而HiRISE的影像解析度就高多了，最高解析度可以達到約0.3米/像素，甚至高於衛星拍攝的地球影像，但高解析度的代價是低覆蓋率，HiRISE提供紅、藍綠和近紅外三個波段的影像，前者圖幅寬度6km，後兩者圖幅寬度1.2km，右圖可以看到，很多區域的覆蓋率至今為止還一次覆蓋都沒有呢！所以如果這個區域原本就有舊的HiRISE影像，那麼在定位了撞擊點之後，即時沒有新影像重疊，MRO可以專門去這個區域測一次新的影像，問題是如果沒有舊影像，那麼沒辦法了……這一次火震就浪費了……不過實際情況可能也沒那麼糟，歐空局Exo任務的HRSC高解析度影像可能也能作為有力的補充。

（左）截止到2017年初的CTX影像覆蓋率（99%以上），CTX已拍攝了約9000幅影像，重複拍攝的影像是用來建立火星表面地形的三維立體像對和觀測火星表面動態變化的珍貴資料（來源：Mars Global Coverage by Context Camera on MRO）；（右）HiRISE影像覆蓋率，每個小紅點就是一幅影像，可以看出高解析度影像的覆蓋率還是比較有限的。（來源：HiRISE coverage）

還有一個問題，是火震的數目。早期的估計認為按照阿波羅月震儀的敏感程度，火星每年有約100次撞擊事件可以被火震儀觀測到(Davis,1993)，但更新的撞擊通量模型認為實際的撞擊事件可能至少低一個量級(Hartmann, 2005)，那就非常少了。不過模型估計有很大的不確定性，實際的年均可探測撞擊事件數目我們並不能很準確地估計。然而，洞察號的設計壽命只有一個火星年（大概兩年），在此期間我們能準確定位多少次隕石撞擊事件？這個還真的說不好。

綜上，洞察號雖然以一己之力加入了很多巧思，但最終的探測結果如何還是未知之數。如果最終定位到隕石撞擊事件過少，那麼短期內（火震網比較健全之前）只能作為重力和其他數據反演的內部結構的驗證和約束，不足以用來反演全球內部結構的徑向差異。同時，通過隕石撞擊這種強度的火震能否觀測到火星深部結構也還很難講，如果隕石撞擊的強度不夠大，那麼地震波可能不足以穿過整個火星到達另一頭來反演深層結構，更何況這還需要剛巧撞擊點就位於火震儀的另外半球。只能說，或許我們需要一點耐心，還需要一點運氣。

四、「觸碰」來自火星內部的熱——地下熱流探測

地表淺層的溫度和熱流，是太陽輻射、幔層的對流、潮汐力引起的核幔摩擦生熱、內核中的放射性衰變生熱、各層的熱傳導和熱耗散等諸多熱過程的綜合反映。

1. 還是先回頭看看月球吧

阿波羅13號：攜帶了一台熱流探測儀，但整個任務都失敗了，沒有任何科學儀器成功安裝，宇航員直接返回了……

阿波羅15號：攜帶了一台熱流探測儀，勉強算是成功安裝，但鑽孔的過程中發現這裡的風化層比預想得硬，鑽不動……結果探針並沒有插到計劃的深度。

阿波羅16號：安裝了，成功了，但因為一點宇航員的失誤又故障了……

阿波羅17號：安裝了，成功了。

綜上，其實就是只有阿波羅15號和17號的可用，前者的鑽孔深度不到1.5米，後者深度大約在1.6-2.3米，最後的解算結果顯示兩處的熱流分別為of 21mW/m2和16mW/m2，只有地球的18-24% （87mW/m2），考慮到月球內部已經相當冷卻了，這個測量結果並不讓人驚訝，但這一結果只是單點的熱流程度，未必可以代表整個月球的水平，同時因為這兩處都位於月海和高地的交界處，因此測量值可能高出實際值10-20%（Apollo 17 Experiments - Heat Flow Experiment）。

2. 洞察號的熱流探測儀

洞察號的熱流探測儀（HP3）配備了一個被稱為「鼴鼠」的鑽頭，可以一直鑽到地表以下5米深處，測量火星表層（風化層）下的溫度、熱傳導率和熱梯度。考慮到阿波羅15號的前車之鑒，選址的時候充分考慮了測區的風化層厚度和岩石硬度，保證可以鑽到5米那麼深……

通過之前重力數據對火星內部結構的了解，在對各層密度、成分、放射性元素丰度、熱衰減模式的合理假設之下，地球物理學家對火星內部各層的溫度和熱流都提出了一些模型計算結果，洞察號的實測值可以很好地檢驗和約束這些模型。

五、其他探測內容

自轉和內部結構探測儀（RISE）：通過多普勒頻移測量火星的自轉速度和自轉軸變化，自轉參數也是約束行星深層內部結構的重要依據之一

機器臂（IDA）和相機（IDC）：著陸器必備，照片總是要拍的

六、結語

精確而完備的地球物理測量，絕不是單一台站可以完成的，而完備的地球物理網路的建立，也不是某個國家和機構包辦的了的。如果洞察號能夠取得成功，那將是NASA繼阿波羅任務之後再次領跑行星地球物理探測的第一步，這類小成本、高效率的探測器的成功，想必可以激勵更多國家投身新一輪深空探測的國際競賽也未可知吧。

最後，老規矩，傳送門Send Your Name to Mars: InSight，還有三天就截止了哈~

參考文獻

• Golombek et al. (2016), Selection of the InSight Landing Site, SSR
• Grott and Breuer(2010), On the spatial variability of the Martian elastic lithosphere thickness Evidence for mantle plumes. JGR
• Langseth et al. (1972), The Apollo 15 lunar heat-flow measurement
• Mimoun et al. (2017),The Noise Model of the SEIS Seismometer of the InSight Mission to Mars, SSR
• Nakamura et al. (1982), Apollo lunar seismic experiment. LPSC
• Panning et al. (2016), Planned Products of the Mars Structure Service for the InSight Mission to Mars, SSR
• Kawamura, T., N. Kobayashi, S. Tanaka, and P. Lognonné (2015), Lunar Surface Gravimeter as a lunar seismometer: Investigation of a new source of seismic information on the Moon. J. Geophys. Res. Planets, 120, 343–358. doi: 10.1002/2014JE004724.
• Weber, R., C., Lin, P., Y., Garnero, E., J., Williams, Q., Lognonné, P., (2011) Seismic Detection of the Lunar Core. Science 331, 309. DOI: 10.1126/science.1199375
• Wieczorek, M.A., B.L. Jolliff, A. Khan, M.E. Pritchard, B.P. Weiss, J.G. Williams, L.L. Hood, K. Righter, C.R. Neal, C.K. Shearer, I.S. McCallum, S. Tompkins, C. Peterson, J.J. Gillis, B. Bussey (2006), The Constitution and Structure of the Lunar Interior. Reviews on Mineralogy and Geochemistry, , v. 60, p. 325

InSight_NASA_Fact_Sheet

British Geological Survey (BGS)

Heat Flow and Physical Properties Package HP3

NASA | InSight

關於ARTEMIS，此處感謝 @宋秀 童鞋補充~

Angelopoulos, V. 「The ARTEMIS Mission.」 In The ARTEMIS Mission, 3–25. Springer, New York, NY, 2010. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-9554-3_2.

First Near Lunar Wake Flyby by ARTEMIS by J.S. Halekas, UC Berkeley Space Sciences Laboratory

Solar wind interactions with small-scale magnetic fields at the Moon by Jasper Halekas University of Iowa

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先說重點：一定把本帖看到最後，這樣你能拿到一張去往火星的「飛船票」！

這個洞察號（Insight）是美國新一代火星探測器，主要為了補充之前火星探測任務沒有做過的事情：探測火星的內部地質情況。

眾所周知，火星是個極其荒蕪的地方，幾乎沒有空氣（僅有地球1%大氣壓），溫度很低（在零下100多度到零上30度之間徘徊），沒有液態水。

地球的液態內核和因此產生的磁場庇護了地球所有生命 （來自：ESA）

當然，最重要原因是它幾乎失去了所有的磁場，導致無力保護大氣層、被太陽風一點一點剝離，僅有的水也隨著表面接近真空狀態而丟失。而磁場的產生，跟行星的液態內核是分不開的，例如地球內核是龐大的鐵鎳金屬流，它們形成了強大的磁場，抵禦太陽和宇宙射線的損害，才使得地球大氣得以保存，當然最重要的是保護了所有的生命。

科學家們普遍認為，是由於火星的體積（15%地球）和質量過小（11%地球）造成的，星球體積越小它的表面積（28%地球）相比質量和體積就越大，就更容易散熱。因此火星過早散去了內部的能量，失去了磁場，也失去了孕育生命的可能性。

地球無論如何都會在未來丟失掉能量，走上火星的現在。因此，研究火星的內部地質情況，無論是分析火星當下情況的演化歷史進程，還是更好研究地球的未來，都有很大意義，等於說火星是個完美的試驗田，太陽系乃至宇宙內獨此一家。

不過在過去幾十年的探測中，人類從未系統性研究過火星的內部情況，這次的洞察號（Insight）就是完成這個使命：它攜帶了最先進的行星地震儀和熱流偵測器，將會為我們帶來前所未有的新發現，深入火星內部，意義不言自明。

洞察號組裝車間情況 （NASA）

在它的任務周期中，只需要安穩落在火星表面（初步選定地質情況良好的埃律西昂平原），畢竟是長期探測地震，只需要定在那裡即可，不必像火星車一樣跑來跑去。

但洞察號的成本並不高，研發費用在四億美元左右，之所以這麼便宜有一個很重要的前提，它基於2007年鳳凰號火星探測器的平台發展而來，大大減少了研發費用和相關成本。

鳳凰號的組裝情況，可以看到倆幾乎一模一樣 （NASA）

不過NASA的科普宣傳水平真的不是蓋的，NASA宣布在任務的晶元儲存區間里留出一塊給所有願意「前往」火星的人，你可以註冊下自己的名字，NASA就會在2017年11月1日姓名採集截止時間後，將你的名字刻進洞察號的儲存器里。帶你飛向火星，並將永遠留在那裡。

不多說了，簽名採集地址是

Send Your Name to Mars: InSight

簽完之後，NASA就會發給你前往火星的飛船票，給大家看看我的：

起飛地：地球，美國，加利福尼亞州，范德堡空軍基地

起飛時間：2018年5月（目前計劃是5日）

目的地：火星，埃律西昂平原（最快樂的平原）

行程/積累里程：484773006千米

竟然是我生日那天發射，哈哈哈，實在太巧了。小夥伴們抓緊註冊拿個飛船票吧！

不過NASA這種科普宣傳水平，真是不服不行啊！

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如果說好奇號是一個地質學家兼地球化學家，那麼洞察號就是地球物理學家。

有了地質學家，地球化學家和地球物理學家的三強聯手，火星這下死定了。

好奇號火星車上的設備能夠對岩石的礦物成分、化學成分、有機質組分和有機質碳同位素特徵做出分析，可以進行光譜特徵研究（化學元素）、X射線衍射研究（礦物成分）、氣相色譜-質譜研究（有機質組分和同位素特徵）。它還可以通過中子動態反照率儀器探測火星地表以下可能存在的水/冰。

除了沒有一台磨片機和偏振光顯微鏡來拍攝礦物顯微照片，沒有羅盤測量產狀，沒有掃描電鏡之外，基本上一個現代化地球化學實驗室能幹的事兒它都能在火星幹了。

但是，地質學研究除了研究岩石及物質的組成特徵之外，還要研究岩石的構造樣式，這就涉及到動用地球物理手段。實際上，中子反照研究可以認為是一種地球物理手段，它研究的對象為水/冰吸收中子的能力。但如果要進行火星的構造研究，就必須引入地震研究手段。

即將發射的洞察號（InSights）主要的科學儀器是兩個地球物理設備，一台是高精度地震探測器SEIS（Seismic Experiment for Interior Structure），實質上是一台地震檢波器。另一台是大地熱流及物理特性綜合探測器HP3 （Heat Flow and Physical Properties Package），是一台檢測火星地殼地熱情況的設備。

大地熱流儀可以檢測落點附近的地熱活動，這可以為後續研究地下流體或岩漿活動提供證據，也為日後研究火星岩石圈的活動方式積累資料。這裡我想對地震測量進行一下展開。

一個重要的事實就是，人類已經非常了解火星的地磁特徵，火星的大氣和天氣系統、火星的土壤和地表岩石，通過幾台火星車的長途跋涉窺見到一絲火星籠罩在時間迷霧中的地質歷史，甚至利用高精度在軌衛星搭載的黑科技繪製出看起來嚇死人的地質地形圖。

但是，人類對火星地表以下的結構仍然一無所知。注意，我用的是「一無所知」，而沒有加幾乎。因為我們除了知道它是岩石質地的類地行星，理論上應該和地球一樣具有地殼/地幔/地核的三分結構之外，對於其地殼、地幔和地核的特徵完全沒有任何概念——甚至連地殼的厚度都不知道，也不知道火星目前是否還有活躍的岩漿活動。

想要讓人類對火星的認識更上一個台階，地震研究必須提上日程。就像人類利用天然地震資料認識了地球的內部特徵一樣，火星天然地震的震波資料也可以幫助人們認識火星的內部構造。

1909年10月8日，現克羅埃西亞共和國首都薩格勒布市南方發生了一次5.7~6級地震。震後，莫霍洛維奇收集了歐洲數十個地震台站記錄下來的的地震波資料，利用不同台站接收到的地震波特徵及接收時間，一舉發現了地殼與地幔的轉變界面，即莫霍面。

（圖片引自 @Olivine 在果殼網的文章）

後來，通過遍布全球的地震台網，人類對地球內部逐漸形成較為清晰的認識，逐步認識到地球的三圈性和液態的外地核。

而隨著近年來大型計算機在地球物理學領域的大量運用，人們還對天然地震資料進行了反演計算，甚至已經可以對地球深部的岩石結構做出令人震驚的地震波層析成像效果，比如，板塊之間的俯衝帶。

（以上圖片引自 @Olivine 在果殼網的文章）

通過對火星地震的研究，人們將有機會開啟通往火星地下世界的大門，解答一些關於火星地質的最前沿問題，比如火星地核是否有液態層？火星有沒有板塊構造及俯衝帶？火星為什麼會形成太陽系最高的火山？

但這裡有一個問題：地震儀太少。

一台地震儀該如何進行地震學研究？它需要一些其他的幫手。這時，人們的想像力提供了新的辦法：如果現階段還不能用多個地震台站測量同一個地震，那麼就先用同一個台站測量多個地震，然後用其他辦法提供地震的發生地點和與台站之間的距離，這樣便也能初步研究星球的內部了。

這便是洞察號的研究方法，有才。

在火星的軌道上，有多顆衛星無時無刻不在監視著火星表面發生的各種變化。大到火星風暴，小到季節性流水在沙丘上形成的沖溝，所有的變化都逃不過衛星的高解析度相機——其中自然也包括隕石撞擊。

在剛剛過去的這個中秋節，一塊從天而降的月餅為全國人民帶來一份驚喜，當然，對雲南迪慶人民帶來的還有驚嚇。再往前幾年，俄羅斯車裡雅賓斯克市的所有玻璃都被天外來客擊了個粉碎。

僅僅是在天上炸開就有如此威力，如果撞擊到地面上，附近的地震台站一定會留下地震記錄。通過洞察號的地震記錄，人們可以確定地震/隕擊發生的時間；通過那個時間前後的高清衛星照片，人們可以確定隕擊發生的地點。

有了多次撞擊的距離和地震波特徵以後，科學家們就可以利用這些地震數據對火星內部的構造進行計算。

地質學研究的一個全新戰場即將展現在世人面前，正如我曾經說過的一樣——

「地質學研究的需求，才是人類宇宙探索的指航燈」

歐耶。

參考資料：

英國地調局的SEIS設備頁面：British Geological Survey (BGS)

MarsQuake - Seismology on another planet

穿透莫霍面 | 地球那些事兒小組 | 果殼網 科技有意思

索羅門群島地震：太平洋為何不太平？ | 科學人 | 果殼網 科技有意思

洞察號的NASA頁面：Technology

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這個探測器居然還沒有發射。。。

這個是一個系列，至少有四個項目，如果從第一個項目就參加了還留了郵箱，NASA會發郵件提示你參加的。

參加獵戶座飛行留了郵箱，洞察號的時候，NASA就發郵件了

正如 @太空精釀 所說，NASA的科普水平不知道高到哪裡去了。

我第一次參加這種活動還是2005年，新視野號。

真希望以後我國的深空探測器也搞一些這樣的活動。

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運載火箭：

不好意思，不是↑551型號，是401型號↓

來一首雄壯的史詩配樂吧！
分享Thomas Bergersen的單曲《Creation of Earth》: http://music.163.com/song/29460365/?userid=322141427 (來自@網易雲音樂)
哈哈哈！！！
感謝博士 @太空精釀

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插個題外話。關於把名字打上火星的那個活動，朝鮮都有三百多人參加。

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我是來蹭博士 @太空精釀 的啤酒的，不知道能不能蹭到，想蹭的可以點贊或者蓋樓。。。。。

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對我們最好的幫助就是能把我們的名字送上火星，著陸地點就在好奇號旁邊。NASA有讓我們在他們的官網上註冊登機牌，輸入名字後會載入洛克希德.馬丁公司的那個指甲蓋大小的內存卡晶元，隨洞察者號上火星，想送名字的請戳https://mars.nasa.gov/syn/insight
其實想戳也沒用了，報名早在11月1號晚12點就停止了。。。。

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坐家裡吃瓜看，隨便看看NASA回我郵件了沒

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