气球探测地震可行！科学家们希望应用在金星
依靠高空气球平台能够进行地震观测
在2019年夏天，科学家们发放了一系列高空气球，以探测加利福尼亚州Ridgecrest地震后的余震。（由“NASA/JPL-加州理工”供图）
2019年7月4日，正当美国在庆祝国庆节时，加州Ridgecrest镇周围发生了6.4级地震。两天后，该地区再次经历一场7.1级的地震。随后的几周内，数万次余震接踵而至。加州有着密集的地面地震检测网络。在2019的夏天，这些地震传感仪器始终处于工作状态。
与此同时，一小群同样身处加州的科学家们正试图以一种相对非正统的、有违直觉的方式监测这些地震，即利用头顶上高高飞过的气球。
地震仪通常被固定在陆地上有着直接优势，能够很好的测量来自震中传播过来的地震波。那为什么要切断与地面的联系，把任务变得更为复杂，在高空监听地震活动呢？
恰好，有一个地方完全不适合地面监测。在那里，地面温度为华氏900度（482.22℃），大气压力相当于在水下一英里（1.6km）。任何放在那里的地震仪，即使在高压下幸存下来，也会很快被融化。欢迎来到金星的世界，这里能够迅速让我们在其地表投放的任何探测机器成为废物。苏联在1982年到访过金星，投放了金星13号登陆器。它是目前在金星工作时间最长记录保持者，在毁灭前坚持了127分钟。
金星看起来不太友好。（由“NASA/JPL”供图）
幸运的是，金星的酸性天空中大气压会有所降低，探测条件会更适宜。这可能会使这些地点成为一个相对受欢迎的地方。科学家们设想投放一个气球来实现地震探测，希望能够记录下我们邻居的地质活动，并将其与地球进行对比，试图更好地了解二者的行为。
为了验证这种方案的可行性，首先需要在地球上可靠实现预定功能。这就是为什么在2019年夏天，科学家们在加州上空发放了一系列高空气球来观测地震。他们把观测方法及得到的成果在地球物理研究快报上发表。
送气球去金星的思路并不是首创。前苏联在1985年投放了两个装有传感器的探测气球进入金星大气层。通过气球跟踪大气风场流动来观测金星大气。他们在夜间忍受每小时150英里（241.4km/h）的风速，直到他们的电池耗尽。在飞行46小时后，就在太阳开始升起的时候，气球出现泄漏损毁，失去联系。
气球球膜经过黑体处理，以吸收热量来加热内部的空气，提供浮力（类似热气球）。在黄昏后内部温度降低，气球飞行高度随之降低。（由“NASA/JPL-加州理工”供图）
尽管这些任务（前苏联金星气球探测）听起来很酷，但他们的科学仪器都不是用来探测地震活动的。尽管金星厚厚的大气层可能让我们看不到地面，但仍然会有很大概率实现有效探测。
加州理工学院的地球科学家Jennifer Jackson是这项研究的参与者之一。她说，一个悬挂在距地面35英里（56.3km）的空中地震仪，可以听到各种各样的火山爆发声，包括活跃的岩浆喷发到火山熔炉坍塌。最近的研究表明，金星地壳的大大小小的斑块参差不齐就像一块块浮冰，它们之间碰撞接触造成了许多地震活动。另外，基于气球平台也可以观测到进入金星大气的流星在天空中爆炸的声音。
“你可以用气球听到行星的心跳”，Paul Byrne说。他是北卡罗来纳州立大学的行星科学家，虽然他没有参与这项工作。通过记录地震波的不同波长和频率，能够推测出它们所穿过的岩石的性质。一个航空地震仪就可以揭开金星神秘的地表面纱——我们目前对这个地方几乎一无所知。
但是你不能仅仅把一个普通的地震仪连接到一个气球上去捕捉所有这些声波。这些普通的地震仪只适合与地面接触时使用。然而，地震确实会产生在空气中快速传播的声波。他们倾向于次声，也就是说，低于人类听力的范围（<20Hz）。但是这些声波改变了它们所经过的空气的压力。所以你可以使用气压计，或者压力传感器，从远处探测这种次声。
科学家用来探测高空地震声波的压力传感器
科学家们已经在地球上根据次声来听到爆炸的太空岩石、遥远的雷暴、火山内部岩浆的咕噜声和构造的颤动。那么为什么不在金星上做同样的事呢？因此，这个由国际研究人员组成的团队一直在设计他们自己的能够捕捉地震的气球。
问题是，自然地震是不可预测的，因此很难测试该计划的有效性。所以研究人员决定自己制造振动。有时他们使用一个地震锤，一个巨大的，类似活塞的装置，撞击地面。或者他们通过炸药制造地震。通过附加在系留气球上的次声探测器探测到了这两种类型的人造地震。但他们对真正的地震活动有效吗？
在考虑去哪里实际检验时，他们考虑到俄克拉荷马州的天然气和石油天然气工业诱发的人工地震频繁发生，决定抓住这次测试机会。
气球是由新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的地球物理学家丹尼尔·鲍曼设计的，他也是这项研究的合作者。他设计了一个廉价可靠的气球，仅仅通过胶带和塑料薄膜制成，每个气球价格不超过30美元。
实验中使用的既轻又便宜气球
木炭粉涂抹在球膜表面，使气球材质变暗，从而吸收阳光，加热气球内部的空气，使气球上升。当夜幕降临时，空气温度降低，密度增大，气球落回地面。“你所要做的就是在气球上悬挂一些仪器，然后发放。”挪威地震台阵的一位地震学家说。他也是这项研究的合作者之一。
该小组于2019年7月22日在加利福尼亚州匆忙释放了两个次声探测气球。8月9日又释放了两个次声气球。两个次声探测气球上升至离地11至15英里（17.7km~24.14km）。他们希望能够赶上一次强烈的余震，只有强烈的震动才能产生足够大的次声信号，才能隔离周围环境发出的其他噪音。
7月22日，大自然给了他们一次机会。两个气球中的一个感应到次声音波。此时，加州的地面地震仪显示，50英里（80.46km）外发生了里氏4.2级地震。他们对数据的仔细处理证实了观测到的次声确实来自地震传播。计算机仿真显示，次声波到达时，气球刚好位于距离震中合适的位置。
黄昏时分，气球降落到地面上，因为里面的空气温度降低。
但科学家认为在其能够在金星大气中飞行60天。
他们做到了第一次在高空气球平台探测到地震。这可能只是一个单独的测量，但研究小组发现，他们可以用它来拼凑地震带的图像。
这个成功的故事契合一个古老的寓言。7月22日发射的气球被命名为“兔子”和“乌龟”，美国宇航局喷气推进实验室的研究技术专家SiddharthKrishnamoorthy说。他也是这项研究的合著者。“乌龟”气球表面只有薄薄一层木炭，只能缓慢地升向空中。15分钟内，只离开地面100英尺（30.48m）。然后慢慢上升，因为它逐渐升温。“兔子”气球则是厚厚一层黑色素，迫不及待地离地升空。
但“兔子”气球有一个问题：它的快速上升对周围空气产生了扰动，产生了大量的噪音。这使得它没有听到任何地震声波。“乌龟”气球飞翔得更为轻柔缓慢，保持完美的速度，耐心的前进，慢而稳地赢得了比赛。
距离实际金星气球探测之前，还有很多事情要做。但这次野外试验证明，地震是可以从高空气球平台探测到的。但使用气球定位震中完全是另一个挑战。毕竟，金星没有地面地震仪来辅助定位。
在未来的实验中，包括在俄克拉荷马州的实验中，研究小组将在每个气球上安装多个气压计。地震产生的立体声波在撞击每一个气压计时存在时间差，这可以用来估计声波的来源方向。
莫哈韦沙漠虽然不适宜居住，但它远比不上金星上的仪器所经受的恶劣环境。飞行试验表明，可以从气球上探测到地震活动
在金星上空利用气球进行科学观测是个好的想法。这是因为金星的大气层非常稠密，有利于声波的传播，这意味着地震产生的声波在天空中传播的效率会大大提高，使它们能够轻松到达那些气球观测平台，。
如果再加上一些仪器，你就有了一个漂浮在空中的科学实验室。而且，Jackson说，即使就目前的技术而言，他们相信气球平台至少可以在那里飞行60天。
但这会成为现实吗？直到本月，这种可能性还不大。但现在我们知道，美国宇航局正在向金星发射两艘宇宙飞船，欧洲航天局也在向金星发射第三艘宇宙飞船，所以几率有所增加。其中两个任务将环绕金星运行，另一个任务将穿过大气层，读取金星环境数据，直到它在地表损毁消失。他们肯定会考虑设计新的探测方式，但可能比不上一个能够长期在大气层内飞行的气球所能做到的程度。
“我非常希望将来有金星气球，”Krishnamoorthy说，“但它是否会实现，让我们拭目以待。”