[论文解读] The seismic noise environment of Europa

M. P. Panning, Simon C. Stähler+6 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2017

Seismic Waves and Analysis被引用 1

一句话总结

本研究基于热力学一致的内部结构和古登堡-里希特尔标度，对木卫二的地震背景噪声进行建模，以估算潮汐断裂和海洋湍流引起的噪声水平。研究发现，尽管大多数噪声低于标准地震计自噪声水平，但较大的信号可比背景高出约50 dB，且噪声自相关特性可能用于约束内部结构。

ABSTRACT

Seismic data will be a vital geophysical constraint on internal structure of Europa if we land instruments on the surface. Quantifying expected seismic activity on Europa both in terms of large, recognizable signals and ambient background noise is important for understanding dynamics of the moon, as well as interpretation of potential future data. Seismic energy sources will likely include cracking in the ice shell and turbulent motion in the oceans. We define a range of models of seismic activity in Europa's ice shell by assuming each model follows a Gutenberg-Richter relationship with varying parameters. A range of cumulative seismic moment release between $10^{16}$ and $10^{18}$ Nm/yr is defined by scaling tidal dissipation energy to tectonic events on the Earth's moon. Random catalogs are generated and used to create synthetic continuous noise records through numerical wave propagation in thermodynamically self-consistent models of the interior structure of Europa. Spectral characteristics of the noise are calculated by determining probabilistic power spectral densities of the synthetic records. While the range of seismicity models predicts noise levels that vary by 80 dB, we show that most noise estimates are below the self-noise floor of high-frequency geophones, but may be recorded by more sensitive instruments. The largest expected signals exceed background noise by $\sim$50 dB. Noise records may allow for constraints on interior structure through autocorrelation. Models of seismic noise generated by pressure variations at the base of the ice shell due to turbulent motions in the subsurface ocean may also generate observable seismic noise.

研究动机与目标

• 量化未来着陆器任务在木卫二上可能遇到的地震噪声环境。
• 评估基于冰壳和海洋动力学真实模型时，地震信号的可探测性。
• 评估地震噪声是否能为木卫二内部结构提供约束。
• 探讨海洋湍流和冰壳破裂对背景地震噪声的贡献。

提出的方法

• 基于古登堡-里希特尔关系开发地震活动模型，采用不同b值和地震矩释放速率。
• 将潮汐耗散能量与月球上的构造事件进行标度，估算每年的矩释放量在10^16至10^18 Nm之间。
• 生成随机地震目录，并通过热力学自洽的木卫二内部模型模拟地震波传播。
• 利用数值波传播模拟生成合成连续地震噪声记录。
• 计算概率性功率谱密度，以表征合成噪声的频率成分。
• 通过与高频地震计自噪声下限比较，评估噪声的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于冰壳破裂和海洋湍流，木卫二的地震噪声水平预期范围是什么？
• RQ2 不同地震活动模型（以古登堡-里希特尔b值和矩释放参数化）如何影响噪声振幅？
• RQ3 由于冰壳底部海洋压力变化引起的地震噪声，是否能被灵敏仪器探测到？
• RQ4 地震噪声自相关在多大程度上可约束木卫二的内部结构？
• RQ5 最强预期地震信号与背景噪声相比如何？

主要发现

• 地震活动模型的参数化范围导致预测的地震噪声水平差异高达80 dB。
• 大多数模拟噪声水平低于高频地震计的自噪声下限，表明标准仪器探测能力有限。
• 最强预期地震信号比背景噪声高出约50 dB，表明使用灵敏仪器可能实现探测。
• 地震噪声自相关可能为木卫二的内部结构提供约束，提供一种潜在的数据分析路径。
• 由海洋湍流引起冰壳底部压力变化生成的噪声模型可产生可观测的地震信号。
• 本研究确定了与木卫二潮汐耗散一致的合理地震矩释放范围（10^16至10^18 Nm/yr）。