Eine neue Studie in AGU’s Geophysikalische Forschungsbriefe berichtet über die erste Erkennung eines großen, entfernten Erdbebens in einem Netzwerk von ballongebundenen Drucksensoren in der Stratosphäre. Die Technik könnte eines Tages auf der Venus angewendet werden, deren heiße, dichte und korrosive Atmosphäre unsere Fähigkeit einschränkt, Venusbeben von der Planetenoberfläche aus wahrzunehmen. Die Ballons könnten auch auf der Erde an schwer zugänglichen Stellen eingesetzt werden.
Die Überwachung der seismischen Aktivität auf anderen Planeten ist entscheidend, um mehr über ihre inneren Strukturen zu erfahren, aber anders als auf der Erde können sich Planetenwissenschaftler nicht auf ein globales Netzwerk von bodengestützten Sensoren verlassen. Stattdessen wenden sie sich der Atmosphäre zu.
Wenn ein Erdbeben eintritt, sendet der vibrierende Boden Infraschall hoch in die Atmosphäre, wo die Ballons und ihre Instrumente warten. Die Ballons schweben nach dem Start mehrere Monate lang durch die Stratosphäre und folgen passiv atmosphärischen Mustern in großer Höhe. Mit einem Durchmesser von etwa 11 Metern und einem Gewicht von 30 Kilogramm (66 Pfund) können die Ballons bis zu vier Instrumente tragen.
Die Seismologie ist in der Stratosphäre relativ neu; Die Ballons werden hauptsächlich für die Atmosphärenforschung verwendet. Frühere Forschungen haben bestätigt, dass diese ballonbasierten Sensoren kleine, lokale Beben erfassen können, aber bis jetzt hatte ein Multi-Balloon-Netzwerk noch keine großen Erdbeben in großer Entfernung erkannt.
Am 14. Dezember 2021 erschütterte ein Erdbeben der Stärke 7,3 das Flores-Meer in Indonesien. Innerhalb von 10 Minuten erfassten vier der Strateole-2-Ballons von IASE in einem Radius von 3.000 Kilometern (1860 Meilen) den resultierenden Infraschall in Höhen von bis zu 20 Kilometern (12 Meilen). Aus diesen Sensordaten war das Forschungsteam von Garcia in der Lage, die Stärke des Erdbebens und mehrere andere Schlüsselparameter sowohl über das Beben als auch über die Planetenstruktur genau zurückzurechnen. Mit ihrem Netzwerk konnten sie sogar die Ausbreitung der seismischen Welle über die Oberfläche verfolgen.
„Wir sind sehr, sehr glücklich, denn es war nicht nur ein einzelner Ballon, der das Erdbeben entdeckte, sondern es wurde auf mehreren Ballons wahrgenommen“, sagt Raphael Garcia, Hauptautor der neuen Studie und Planetenwissenschaftler am Institut Supérieur de l’Aéronatique et de l’Espace der Universität Toulouse.
Die Studie ist ein wichtiger Proof-of-Concept für die Anwendung dieser seismischen Überwachungstechnik auf der Venus. Während die Ballons nur in der Erdatmosphäre getestet wurden, glauben Garcia und seine Kollegen, dass sie auch in der kohlendioxidreichen Atmosphäre der Venus funktionieren werden.
Lebhafte Venus
Im Jahr 2021 begannen Wissenschaftler, die die Venus untersuchten, die nächsten zehn Jahre als „das Jahrzehnt der Venus“ zu bezeichnen, da drei Missionen zum Planeten für die frühen 2030er Jahre angenommen wurden. Venus, der „Schwesterplanet“ der Erde, fasziniert Planetenwissenschaftler mit seiner unbekannten inneren Struktur und den schlecht verstandenen langfristigen Wechselwirkungen zwischen Tektonik und Atmosphäre, die im Vergleich zur nahen Erde zu einer so bewohnbaren Welt führten. „Der Grund für unser Interesse an der Venus ist, dass wir nichts über ihr Inneres wissen“, sagt Garcia. „Wir wissen nicht, wie es im Inneren hergestellt wird, und auf der Erde ist die Seismologie eines der besten Werkzeuge, um das herauszufinden.“
Im Rahmen des Venus-Jahrzehnts arbeiten mehrere Teams an ballonbasierter seismischer Überwachung, aber die neue Studie ist die erste, die erfolgreich große, natürliche Beben mit mehreren Ballons erfasst, sagt Garcia.
„Die Suche nach einem großen Beben auf Stratosphärenballons ist ein bisschen kompetitiv“, sagt er. „Aber es ist ein schöner Wettbewerb, denn am Ende arbeiten wir daran, dasselbe Konzept zu demonstrieren.“ Dennoch freut er sich, dass ihr Team diese Leistung errungen hat. Der Vorschlag für eine ballonbasierte seismische Überwachung auf der Venus, genannt Phantom, wird den New Frontiers NASA-Missionen in Zusammenarbeit mit JPL-NASA und der North Carolina State University vorgelegt.
Der Erfolg des Netzwerks unterstreicht auch das Potenzial für die seismische Überwachung auf Ballonbasis, um Bereiche zu ergänzen, die mit einem bodengestützten Netzwerk schwer zu überwachen sind, wie z. B. der Meeresboden. Die Ballons könnten auch als Schnellreaktionsinstrument zur Überwachung von Nachbeben eingesetzt werden.
Raphael F. Garcia et al, Infraschall von großen Erdbeben, aufgezeichnet auf einem Netzwerk von Ballons in der Stratosphäre, Geophysikalische Forschungsbriefe (2022). DOI: 10.1029/2022GL098844