Airborne Inversion of Rayleigh waves

Å forstå den indre strukturen til planeten Venus er avgjørende for å bestemme dens opphav og evolusjon, samt hvorfor forholdene er ulike de vi har på jorden. De seismiske bølgene som skapes av hendelser på jorden, slik som jordskjelv, og som registreres av seismometre på bakken, benyttes til å kartlegge jorden helt inn til dens kjerne. Det er imidlertid betydelig mer teknologisk utfordrende å utplassere seismometre på Venus på grunn av de tøffe forholdene på overflaten (mer enn 460 °C og et trykk på nesten 90 atmosfærer). Derimot er forholdene mer behagelig høyere i atmosfæren (på 50-60 km høyde), hvor forholdene samsvarer mer med de på jorden. Kan vi utplassere seismometre i atmosfæren for å detektere seismiske bølger? På samme måte som en tromme sender ut lyd når den vibrerer, så skaper jordens overflate uhørbare akustiske bølger når jordskjelv inntreffer, kalt infralyd. Likevel er det foreløpig få seismiske hendelser som har blitt detektert ved hjelp av ballonger og vi overser graden av lærdom vi kan tilegne oss fra disse lydbølgene. Prosjektet AIR har fullført sitt første år og har allerede svart på to kritiske spørsmål: Kan vi oppdage venusskjelv med et ballongoppdrag? Og kan vi bestemme egenskapene til Venus' indre med infralydbølger? De nye resultatene viser at svaret er ja på begge spørsmålene! Sammen med våre samarbeidspartnere fra Jet Propulsion Laboratory, det svenske Institutet för rymdfysik og California Institute of Technology, har vi demonstrert at et fire måneder langt oppdrag bør gi grunnlag for minst én klar deteksjon. Ikke bare fant vi ut at deteksjoner er svært sannsynlige, men vi viste også at en planets indre egenskaper kan bestemmes nøyaktig bare ved hjelp av den akustiske signaturen til et jordskjelv eller et venusskjelv. Arbeidet vårt er i seg selv tverrfaglig og kombinerer rammeverk for seismisk fare, storskala numeriske simuleringer av seismikk og akustikk, modeller fra geokjemi og resultater fra geodynamikk, det vil si modellering av planetens indre over millioner av år. La oss nå dykke ned i detaljene! Første spørsmål: Kan vi oppdage venusskjelv med et langvarig ballongoppdrag? Vi har undersøkt dette ved å beregne sannsynligheten for å observere et signal fra et venusskjelv over en gitt amplitudeterskel og i løpet av en viss observasjonstid. Amplitudeterskelen er viktig, siden små amplitudesignaler er begravd i støy, som for eksempel i vindturbulens, og inneholder ikke mye informasjon om planetens indre. På den annen side er det større sannsynlighet for at ballongen oppdager en hendelse jo lengre observasjonstiden er. Helst ville vi hatt ballongene våre på Venus-himmelen i over ti år, men det er teknisk umulig. Ved å vurdere flere modeller for antall venusskjelv på planeten og ved å simulere de akustiske signaturene til hvert venusskjelv, har vi kommet frem til at fremtidige oppdrag bør vurdere 3 til 4 måneder lange ballongflyvninger på Venus. Det andre spørsmålet: Kan vi bestemme egenskapene til Venus' indre ved hjelp av infralydbølger? For å svare på dette spørsmålet har vi utviklet en ny inversjonsmodell som forsøker å gjenvinne kildeegenskapene så vel som Venus' indre kun ut fra den akustiske signaturen til et venusskjelv. Vi testet tilnærmingen vår på akustiske observasjoner av jordskjelv i Alaska, et svært seismisk aktivt område på jorden, som et valideringscase for vår nye inversjonsmodell. Vi klarte å finne flere egenskaper ved jordskorpen og mantelen på jorda med bare tre akustiske signaler, noe som er svært lovende for ballongsignaler på Venus. Med AIR-prosjektet ønsker vi å bringe Venus-vitenskapen, seismologien og infralydsamfunnene sammen for å gjøre store fremskritt i forberedelsene til neste runde med planetariske oppdrag. Vi har derfor organisert den første workshopen på 10 år dedikert til Venus-seismologi fra NORSAR. Alt av materiale fra denne workshopen, inkludert presentasjoner, video- og tekstutskrifter, møtenotater og samarbeidsplaner vil bli gjort offentlig tilgjengelig på nettet for å åpne diskusjoner for et bredere publikum. Våre resultater har allerede fått mye oppmerksomhet fra det planetvitenskapelige miljøet på internasjonale konferanser og blir for tiden vurdert i vitenskapelige tidsskrifter. Hva er våre neste skritt, nå som vi har gjort betydelige fremskritt innen detekterbarhet og inversjon? To ord: vulkaner og usikkerheter. Faktisk har vulkansk aktivitet nylig blitt observert på Venus, og vulkaner vil generere både mye lyd i atmosfæren og i undergrunnen. Slike bølger kan fanges opp av ballongnettverket vårt og fortelle om underjordiske vulkanske prosesser, samt hjelpe oss med å lokalisere kilden til seismiske bølger. Målet vårt nå er å både modellere og analysere vulkanske signaler på jorden og ekstrapolere dem til forholdene på Venus. Vi vil i tillegg undersøke i detalj hvor mye usikkerhetene våre om bergartsegenskaper, signalbehandling og støyforhold vil påvirke de resulterende modellene på Venus' indre.

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.