Å forstå Venus' indre struktur er avgjørende for å bestemme dens opprinnelse og utvikling, og for å forklare hvorfor forholdene på denne planeten er så drastisk annerledes enn på jorden. På jorden brukes seismiske bølger fra jordskjelv, registrert av seismometre, til å avdekke planetens struktur helt ned til kjernen. På Venus er dette langt mer utfordrende på grunn av ekstreme overflateforhold (over 460 °C og trykk nær 90 atmosfærer). Forholdene er derimot langt gunstigere høyere i atmosfæren (50–60 km), hvor de ligner jordens. Kan vi da utplassere seismometre i atmosfæren? Svaret er ja. Som en tromme som avgir lyd når den slås på, genererer jordoverflaten uhørbar infralyd ved jordskjelv. Likevel er svært få hendelser oppdaget fra ballonger, og potensialet er fortsatt lite utforsket.
I AIRs andre år utforsket vi muligheten for å bruke banebrytende teknologier til å oppdage venuskjelv og vulkansk aktivitet. To metoder virker lovende: ballongbåren seismologi og airglow-kameraer som registrerer lysutslipp i Venus’ øvre atmosfære når akustiske bølger forstyrrer den. Vi viste at et seks måneder langt ballongoppdrag bør gi minst én klar deteksjon, mens rombaserte airglow-kameraer kan gi uavhengige, supplerende observasjoner. Resultatene indikerer at tektonisk seismisitet mest sannsynlig vil bli oppdaget, men vi undersøkte også vulkansk aktivitet. Simuleringer identifiserte regioner der atmosfæriske forhold er spesielt gunstige for langtrekkende ballongdeteksjoner av utbrudd, noe som utfordrer tidligere forståelser. Vi viste også at en planets indre kan bestemmes ved å bruke kun den akustiske signaturen fra et jord- eller venuskjelv.
Arbeidet er tverrfaglig og kombinerer rammeverk for seismisk fare, storskala simuleringer av seismikk og akustikk, geokjemiske modeller og geodynamikk over millioner av år.
Kan vi oppdage Venus-seismisitet?
Vi undersøkte både ballongenens deteksjonsevne og hvordan airglow-kameraer kan forbedre observasjonene. Vi beregnet sannsynligheten for å fange signaler over støygrenser ved ulike observasjonstider. Små signaler forsvinner i turbulens eller kamerasus, mens lengre oppdrag øker sjansene for registrering. Tiårslange oppdrag er urealistiske, men seksmåneders ballongflyvninger supplert med kameraer i bane virker oppnåelige. Resultatene viser at tektoniske hendelser er lettere å oppdage enn vulkanske.
Kan vi oppdage vulkansk aktivitet?
Vulkanisme er nylig bekreftet på Venus. Utbrudd genererer sterke akustiske bølger både i atmosfæren og i undergrunnen, som ballonger kan registrere. Dette kan gi innsikt i underjordiske prosesser og lokalisere kilder. Modelleringene våre av overflatekilder avslørte nye bølgebaner som kan nå ballonger i ca. 60 km høyde.
Kan vi bestemme Venus’ indre med lyd?
Vi utviklet en probabilistisk inversjonsmodell som henter kildeegenskaper og indre struktur utelukkende fra akustiske signaturer. Metoden ble testet på infralyd fra jordskjelvet i Floreshavet (Mw7.1, 2021) og gjenga skorpe- og manteltrekk i samsvar med seismiske modeller. Usikkerhetene var lave nok til å skille mellom ulike utviklingsscenarier selv med et spredt ballongnettverk. Dette er et viktig gjennombrudd som bekrefter ballonger som et levedyktig verktøy for planetarisk seismologi.
Neste steg
Gjennom AIR ønsker vi å samle Venus-, seismologi- og infralydmiljøene for å forberede fremtidige oppdrag. Vi deltok som arbeidspakkeleder i VIVA-forslaget til ESA om bruk av airglow-kameraer, og bidro tungt på workshopen om høyhøydeakustikk og ballonger ledet av Daniel Bowman (PNNL), i oppfølging av AIRs første workshop i 2024. Resultatene våre har fått oppmerksomhet på internasjonale konferanser og er til fagfellevurdering i vitenskapelige tidsskrifter.
Etter store framskritt på deteksjon og inversjon er vårt neste fokus robusthet: å vurdere hvor mye informasjon airglow-data kan gi, og hvordan Venus’ unike geologi og atmosfære påvirker spredningen av seismiske og akustiske bølger.
Our understanding of Earth's internal structure comes primarily from seismic waves that provide important constraints on subsurface seismic-velocity properties. However, traditional inversion methods cannot be implemented in regions of limited seismic-station coverage, in particular on Venus due to its harsh surface conditions but also in remote Earth regions. This lack of seismic data greatly limits our understanding of Venus’ origin and evolution, but also of the Earth’s subsurface. However, the mechanical coupling between the ground and its atmosphere enables the seismic energy to be transmitted into the atmosphere as low-frequency acoustic waves carrying information about the seismic source and the subsurface properties. While infrasound is traditionally recorded at ground-based stations, which suffers from the same in-situ deployment limitations as seismic stations, recent studies have demonstrated that balloon platforms can be used to monitor seismic activity from the atmosphere at a low operational cost. Balloon-borne seismology is a new dynamic field considered to be the only way to investigate Venus' interior. However, inversion of balloon-borne infrasound data has never been reported in the literature as field data are lacking and the coupling between seismic and acoustic waves in realistic media is poorly understood. Taking advantage of balloon pressure data collected by the Jet propulsion Laboratory and the Swedish Institute of Space Physics during large-scale balloon campaigns, the current project will address these key theoretical and practical issues by analyzing and modeling these seismically-induced infrasound signatures to retrieve the source and subsurface properties. AIR will first process and model the seismo-acoustic waves to analyze the field data. Results will then be injected in a statistical Bayesian inversion framework to retrieve uncertainties on source and subsurface properties and field-data processing from balloon campaigns.
