Tussen 4 juli en 6 juli 2019, een reeks krachtige aardbevingen rommelde in de buurt van Ridgecrest, Californië, triggering meer dan 10, 000 naschokken over een periode van zes weken. Een kans zien, onderzoekers van NASA's Jet Propulsion Laboratory en Caltech vlogen instrumenten die waren bevestigd aan ballonnen op grote hoogte boven de regio in de hoop de eerste ballon-gedragen detectie van een natuurlijk voorkomende aardbeving te maken. Hun doel:de technologie testen voor toekomstige toepassingen bij Venus, waar ballonnen uitgerust met wetenschappelijke instrumenten boven het buitengewoon onherbergzame oppervlak van de planeet konden zweven.

En dat is gelukt. Op 22 juli, zeer gevoelige barometers (instrumenten die veranderingen in luchtdruk meten) op een van de ballonnen detecteerden de laagfrequente geluidsgolven die werden veroorzaakt door een naschok op de grond.

In hun nieuwe studie gepubliceerd op 20 juni in Geofysische onderzoeksbrieven , het team achter de ballonnen beschrijft hoe een vergelijkbare techniek kan helpen de diepste mysteries van Venus te onthullen, waar de oppervlaktetemperaturen heet genoeg zijn om lood te smelten en de atmosferische druk hoog genoeg is om een ​​onderzeeër te verpletteren.

Planetaire gerommel

Ongeveer zo groot als de aarde, Men denkt dat Venus ooit gastvrijer was voordat het evolueerde naar een plek die opmerkelijk verschilt van onze bewoonbare wereld. Wetenschappers weten niet zeker waarom dat gebeurde.

Een belangrijke manier om te begrijpen hoe een rotsachtige planeet is geëvolueerd, is door te bestuderen wat erin zit, en een van de beste manieren om dat te doen, is door de seismische golven te meten die onder het oppervlak rondkaatsen. Op aarde, verschillende materialen en structuren breken deze ondergrondse golven op verschillende manieren. Door de sterkte en snelheid van golven te bestuderen die worden geproduceerd door een aardbeving of explosie, seismologen kunnen het karakter van rotslagen onder het oppervlak bepalen en zelfs vloeistofreservoirs lokaliseren, zoals olie of water. Deze metingen kunnen ook worden gebruikt om vulkanische en tektonische activiteit te detecteren.

"Veel van ons begrip over het binnenste van de aarde - hoe het afkoelt en de relatie met het oppervlak, waar het leven zich bevindt - komt van de analyse van seismische golven die gebieden doorkruisen die zo diep zijn als de binnenste kern van de aarde, " zei Jennifer M. Jackson, de William E. Leonhard hoogleraar minerale fysica aan het seismologisch laboratorium van Caltech en een co-auteur van een studie. "Tienduizenden grondseismometers bevolken ruimtelijk dichte of permanente netwerken, deze mogelijkheid op aarde mogelijk maken. We hebben deze luxe niet op andere planetaire lichamen, vooral op Venus. Waarnemingen van seismische activiteit daar zouden ons begrip van rotsachtige planeten versterken, maar de extreme omgeving van Venus vereist dat we nieuwe detectietechnieken onderzoeken."

JPL en Caltech ontwikkelen deze op ballonnen gebaseerde seismologische techniek sinds 2016. Omdat seismische golven geluidsgolven produceren, informatie wordt vertaald van de ondergrond naar de atmosfeer. Waardevolle wetenschap kan dan worden verzameld door geluidsgolven vanuit de lucht te bestuderen op een vergelijkbare manier als seismologen seismische golven vanaf de grond zouden bestuderen.

Als dit bij Venus zou kunnen worden bereikt, wetenschappers zullen een manier hebben gevonden om het raadselachtige interieur van de planeet te bestuderen zonder hardware op het extreme oppervlak te hoeven landen.

De bevingen van Ridgecrest

Tijdens de naschokken na de aardbeving van Ridgecrest in 2019, Attila Komjathy van JPL en zijn collega's leidden de campagne door twee "heliotroop"-ballonnen los te laten. Gebaseerd op een ontwerp ontwikkeld door co-auteur Daniel Bowman van Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, de ballonnen stijgen op tot een hoogte van ongeveer 11 tot 15 mijl (18 tot 24 kilometer) wanneer ze worden verwarmd door de zon en keren terug naar de grond in de schemering. Terwijl de ballonnen dreven, barometers droegen ze gemeten veranderingen in luchtdruk over het gebied terwijl de zwakke akoestische trillingen van de naschokken door de lucht reisden.

"Het is een uitdaging om natuurlijk voorkomende aardbevingen vanuit ballonnen te detecteren, en als je voor het eerst naar de gegevens kijkt, je kunt je teleurgesteld voelen, aangezien de meeste aardbevingen met een lage kracht geen sterke geluidsgolven in de atmosfeer produceren, " zei Quentin Brissaud, een seismoloog bij het seismologisch laboratorium van Caltech en de Norwegian Seismic Array (NORSAR) in Oslo, Noorwegen. "Alle soorten omgevingsgeluid worden gedetecteerd; zelfs de ballonnen zelf maken geluid."

Tijdens eerdere testen de onderzoekers detecteerden de akoestische signalen van seismische golven gegenereerd door een seismische hamer (een zware massa die op de grond valt), evenals explosieven ontploft op de grond onder vastgebonden ballonnen. Maar zouden de onderzoekers hetzelfde kunnen doen met vrij zwevende ballonnen boven een natuurlijke aardbeving? De belangrijkste uitdaging was onder andere:er was geen garantie dat er zelfs maar een aardbeving zou plaatsvinden terwijl de ballonnen in de lucht waren.

Op 22 juli, ze hadden geluk:seismometers op de grond registreerden een naschok van 4,2 op de schaal van Richter op bijna 80 kilometer afstand. Ongeveer 32 seconden later, een ballon detecteerde een laagfrequente akoestische trilling - een soort geluidsgolf onder de drempel van het menselijk gehoor genaamd infrageluid - spoelde eroverheen terwijl het opsteeg naar een hoogte van bijna 4,8 kilometer. Door analyse en vergelijkingen met computermodellen en simulaties, de onderzoekers bevestigden dat ze hadden, Voor de eerste keer, ontdekte een natuurlijk voorkomende aardbeving van een ballon-gedragen instrument.

"Omdat er zo'n dicht netwerk van seismometer-grondstations is in Zuid-Californië, we waren in staat om de 'grondwaarheid' te krijgen over de timing van de aardbeving en de locatie ervan, " zei Brissaud, hoofdauteur van de studie. "De golf die we ontdekten, was sterk gecorreleerd met nabijgelegen grondstations, en in vergelijking met gemodelleerde gegevens, dat overtuigde ons - we hadden een aardbeving gehoord."

De onderzoekers zullen de ballonnen over seismisch actieve gebieden blijven vliegen om meer vertrouwd te raken met de infrageluidsignaturen die bij deze gebeurtenissen horen. Door meerdere barometers aan dezelfde ballon toe te voegen en meerdere ballonnen tegelijk te laten vliegen, ze hopen vast te stellen waar een aardbeving plaatsvindt zonder bevestiging van grondstations.

Van Californië tot Venus

Het is al bewezen dat het mogelijk is om ballonnen naar Venus te sturen. De twee Vega-missieballonnen die daar in 1985 werden ingezet door een door de Sovjet-Unie geleide coöperatie, zonden meer dan 46 uur gegevens uit. Geen van beide droeg instrumenten om seismische activiteit te detecteren. Nu toont deze studie aan dat de techniek voor het detecteren van infrageluid bij Venus ook mogelijk is. In feite, omdat de atmosfeer van Venus veel dichter is dan die van de aarde, geluidsgolven reizen veel efficiënter.

"De akoestische koppeling van aardbevingen in de atmosfeer is naar schatting 60 keer sterker op Venus dan op aarde, wat betekent dat het gemakkelijker zou moeten zijn om venusbevingen te detecteren vanuit de koele lagen van de atmosfeer van Venus op een hoogte van 50 tot 60 kilometer [ongeveer 31 tot 37 mijl], " zei JPL-technoloog Siddharth Krishnamoorthy, hoofdonderzoeker van de analyse-inspanning. "We zouden venusbevingen moeten kunnen detecteren, vulkanische processen, en ontgassingsgebeurtenissen terwijl de activiteitsniveaus worden gekarakteriseerd."

Wat Krishnamoorthy het meest interesseert in het vliegen met ballonnen op Venus, is dat wetenschappers ze kunnen gebruiken om over gebieden te zweven die op basis van satellietwaarnemingen lijken te zijn alsof ze seismisch actief zouden moeten zijn, en erachter te komen of ze dat echt zijn. "Als we over een hotspot drijven, of wat lijkt op een vulkaan vanuit een baan, de ballon zou kunnen luisteren naar akoestische aanwijzingen om te bepalen of hij zich inderdaad als een aardse vulkaan gedraagt, " zei Krishnamoorthy, die ook technisch leider was voor de Ridgecrest-balloncampagne. "Op deze manier, ballonnen zouden de grondwaarheid kunnen bieden voor satellietmetingen."

Terwijl het Venus-ballonteam die mogelijkheden blijft onderzoeken, collega's bij NASA zullen doorgaan met twee missies die het bureau onlangs heeft geselecteerd om tussen 2028 en 2030 naar Venus te gaan:VERITAS zal het oppervlak en het interieur van de planeet bestuderen, en DAVINCI+ zal de atmosfeer bestuderen. ESA (European Space Agency) heeft ook haar eigen missie naar Venus aangekondigd, Zich voorstellen. Deze missies zullen nieuwe aanwijzingen geven waarom de eens zo op de aarde lijkende planeet zo onherbergzaam werd.