月球为何“鸣响”这么久 — The Knowledge Frontier

当一列地震波穿过月球时，信号并不会在波经过之后就结束。紧随其后的是一条长长的振动尾巴，即尾波（coda），在月球上它可以持续长达数小时——约为震级相近的地震之后的十倍。对地震学家来说，这种鸣响是个麻烦：它淹没了来自深部层位的微弱回波，而正是这些回波能够揭示月球的内部。

通常的解释是：在一个连续但极不均匀的月壳中发生了强烈散射，波速在各处时快时慢。但基于这一设想的模拟从未与阿波罗地震仪的记录吻合，即使设定强得不切实际的反差也无济于事。

永不愈合的裂隙

中国科学院和中国地质大学的Lei Zhang、Jinhai Zhang及其同事另辟蹊径。月壳布满了裂缝：数十亿年的撞击、月球冷却时的收缩、潮汐和火山活动，都让它支离破碎。在地球上，流体会逐渐让这类裂隙愈合。而月球上没有水，所以它们一直张开着——成为岩石中空空的缝隙。

对地震波来说，一条空裂隙就是一堵墙：什么都穿不过去。波被全反射。只有一条裂隙时，一部分波前被反弹回来，其余部分不受干扰地继续前进。裂隙很多时，波前被打碎并被困住，在裂隙之间来回反弹，能量慢慢泄漏出去。据作者称，此前从未有人考虑过这类裂隙对月球地震波的影响。

为了检验这一设想，团队构建了一个二维的月壳切片，长1,000千米、深80千米，在其余部分均匀的岩石中散布着空裂隙。他们将模型的预测与人工撞击的13条阿波罗记录进行比较：废弃的火箭级和登月舱上升级被故意撞向月球，其撞击的时间和地点都精确已知。各台站与撞击点的角距离为2.2至28度。

他们比较的不是单个波动，而是每条记录的整体包络——逐渐上升、一个宽阔的峰、缓慢衰减，使它看起来像一个纺锤。

当裂隙集中在最上层1千米时，模拟包络与两条代表性记录的相关系数达到0.90和0.92。没有裂隙的月壳只给出0.56和0.47。
十二种变体确定了裂隙在哪里起作用。延伸到12千米深的裂隙与局限在最上层1千米的裂隙拟合得一样好。但去掉最上层1千米内的裂隙，相关系数就降到0.4–0.5。
裂隙长度也有影响：0.5至2千米的裂隙给出约0.85的相关系数，4千米的则只有约0.64。裂隙的长度很可能不超过2千米。
只有相当高的裂隙密度才能同时再现尾波的形态和它衰减的速度：最上层1千米裂隙密布。

在参考模型中，85条裂隙——每条长1千米、宽250米——分布在切片的最上层1千米中。

月球车上的雷达已探测到几百米深的层位，通常不到500米。地震学的结果探得更深，达到约1千米，并把雷达、重力图和返回样品的测量联系了起来。

这个模型也可以反过来用：一旦知道了裂隙，就可以计算它们的鸣响并从记录中扣除，让来自月球深部内部的微弱反射显现出来。未来的地震仪——嫦娥七号搭载的、随阿尔忒弥斯计划部署在南极附近的，以及月球背面的——可以对此加以检验。那些希望通过“聆听”月球来探测引力波的项目，可能也必须考虑同样的裂隙。

这个模型仍是一种简化：一个二维切片，裂隙周围是均匀的岩石。真实的裂隙是三维的、相互交错，并且处在一个本身也不均匀的月壳中。但即使是这个简化版本，也像月球一样“鸣响”。