OSIRIS-REx样本返回舱再入的地震观测：布设、信号特征与波场现象学

《Atmosphere》：Seismic Observations of the OSIRIS-REx Sample Return Capsule Reentry: Deployment, Signal Characteristics, and Wavefield Phenomenology

　　

受控航天器从星际轨道再入提供了罕见且特征明确的超音速源，用于推进地震声学观测技术。本研究展示了2023年9月24日OSIRIS-REx样本返回舱（SRC）再入的地震观测数据，这些数据由布设在内华达州尤里卡附近、距舱体轨迹地面距离7-20公里的16个三分量节点地震仪记录。所有台站均检测到空-地耦合信号，表现出与下降马赫锥弹道激波到达一致的脉冲起始。研究人员通过信号振幅、周期、波形互相关和阵列处理来表征地震波场。在机场阵列内，信号周期随距轨迹距离的增加而系统性地减小，表明较高频率成分在更大偏移距处变得更加突出，这与几何扩散和大气吸收的预期相反。地震阵列处理识别出频率依赖的反方位角变化，其成因尚未解决；可能的贡献因素包括源几何形状、平流层精细分层结构的散射以及近地表效应。这些观测记录了一个特征明确的超音速线源产生的空间复杂地震波场，并为未来大气传播和空-地耦合建模提供了约束。

**论文解读：OSIRIS-REx样本返回舱再入的地震波场观测**

**研究背景与问题**

超音速物体在穿越行星大气时会产生强激波，这些激波可将能量从大气传输至固体表面，从而诱发可测量的地面运动。此类地震信号编码了关于源、大气结构和地表特性的信息，但对其解释需要基于物理的框架，以考虑激波传播、源几何形状和空-地耦合效应。天然流星体是超音速大气源中最常见的一类，但其物理性质、轨迹和碎裂行为通常缺乏约束，这使对其地震信号特征的定量解释复杂化。尽管存在这些不确定性，大量研究已表明高能火球的信号包含有用信息，且空间分布式观测揭示单次大气进入可产生异质性的地震波场，不同台站采样激波几何的不同部分。因此，火球的地震探测并非对单一源特征的冗余测量，而是反映了对扩展大气线源的空间采样，这促使研究人员采用明确考虑源几何和台站分布的分析方法。

从星际空间返回的航天器再入提供了罕见且特征明确的超音速源，具有已知的质量、轨迹、速度和时序，使得地震观测可在受控源条件下解释。NASA的Stardust样本返回舱（SRC）2006年再入是首个被详细记录并被仔细分析的案例，该研究表明高空超音速激波产生的声学N波可有效耦合至地面，且所得地震波形对入射角、频率含量和近地表地震速度结构敏感。Hayabusa样本返回舱的类似观测进一步证明了受控再入可作为地震声学观测的可重复标定事件。除星际样本返回舱外，轨道速度再入（例如和平号空间站、神舟十五号轨道舱、联盟2.1b火箭等）的声学和地震特征也已被研究，这些事件补充了星际再入记录，并突出了表征大气进入地震声学特征的科学价值和观测挑战。

在此背景下，NASA的OSIRIS-REx（源光谱解释资源识别与安全-风化层探测器）SRC于2023年9月24日的再入提供了推进超音速大气源地震观测的绝佳机会。OSIRIS-REx是受控星际再入，具有良好约束的轨迹和时序，并被大范围的地球物理传感器布设观测。本研究利用布设在尤里卡附近的一个空间分布式节点地震仪网络，记录并分析了OSIRIS-REx SRC再入产生的空-地耦合地震波场现象学。

**主要技术方法**

研究人员部署了16个三分量节点地震仪（Magseis-Fairfield ZLand 3C），包含3个站点组：站点1（尤里卡机场）13个台站，其中11个浅埋（约10-20 cm），形成间距约2.5 km的阵列；站点2（草莓路北）2个地表台站；站点3（草莓路南）1个地表台站。地面距离范围为7-20 km。数据处理包括：去除仪器响应转换为位移单位，使用0.8 Hz高通滤波器。信号周期通过4-零交叉法、2-零交叉法和功率谱密度（PSD）主峰估计。波形分析采用归一化互相关和滑动窗口方法。阵列处理使用Cardinal软件包进行多频带波束形成，采用频率-波数（FK）分析，频率范围0.1-6 Hz，第三倍频程间隔。排除互相关分析中与阵列相关性较低的台站111和112后，使用站点1的11个台站在≤5 Hz频带进行波束形成。

**研究结果**

**4.1 地震探测**：所有16个台站均检测到空-地耦合信号，表现出脉冲起始特征，与高马赫数圆柱线源预期的一致。信号起始时间在网络内渐进变化，与从轨迹到地面的声学传播一致。机场阵列内起始时间几乎同时，反映了阵列相对于源高度（~59 km）的紧凑几何。

**4.2 信号振幅与周期变异性**：机场阵列峰值-峰值位移范围为0.048-0.074 μm，无明显单调趋势。站点2振幅稍低（0.033-0.034 μm），站点3为0.056 μm。最重要的波形特征是机场阵列内信号周期随距轨迹距离增加而系统性减小：最近台站（101-103）周期约0.30-0.33 s，最远台站（111-112）周期约0.19-0.24 s。此趋势与几何扩散和大气吸收的预期相反（后者应优先衰减高频）。经粗略传播路径长度校核，阵列内斜距差异仅约0.26 km，对应的几何扩散差异约0.02-0.04 dB，大气吸收差异约0.001 dB，不足以解释观测到的周期变化。三种测量方法（4-零交叉、2-零交叉、PSD主峰）均显示相同的统计显著趋势（线性回归R2=0.881，p=2×10??）。站点2和3的周期（~0.73 s和~0.45 s）反映了不同的源-接收器几何和沿轨迹采样位置。

**4.3 波形互相关**：机场阵列波形互相关矩阵显示存在三个高相关簇：台站101-104和201-202、105-107、107-109。台站112与阵列大部分台站相关性最低，111为中等相关性。这些相关群集表明不同台站子集优先采样波场的相似部分或具有相似的地下介质。高频能量从台站105附近开始出现并延伸至111，与相关矩阵的簇结构一致。

**4.4 阵列处理**：排除111和112后，1-5 Hz频带的FK谱显示单一主瓣（反方位角3.47°，视速度3.02 km/s），但主瓣较宽；5-10 Hz频带出现多个竞争峰值，表明空间混叠。因此限制后续分析在≤5 Hz。多频带波束形成识别出两个解族：族A（~1.1-4.6 Hz）具有最高相干性（相似度），反方位角约0.6°，视速度2.96 km/s；族B（~0.9-1.1 Hz）检测较少，相似度较低，反方位角约13.66°，视速度2.48 km/s。反方位角在低频族B中随时间略有变化。

**讨论与结论**

**讨论部分**：观测到的信号周期随横向偏移距增加而减小的趋势，无法用经典路径长度相关的几何扩散和大气吸收解释，表明存在某种主动重分布频谱能量的过程。三种候选物理机制被提出：（1）不同横向偏移距的台站以不同入射角采样马赫锥的不同部分，由于马赫锥具有有限厚度和频率依赖的空间结构，可能产生频谱差异；（2）平流层（37-45 km）的精细分层结构可产生频率依赖的散射、部分反射和波形畸变，取决于入射角；（3）近地表结构和耦合效率的站点差异可调制不同频率分量的相对振幅。区分这些贡献需要综合分析马赫锥几何、精细大气结构和近地表响应。

波形互相关结果揭示了阵列内空间变化的波形相干性，这对阵列处理有重要影响：标准平面波波束形成假设全阵列孔径上的空间相干波场，但互相关结果表明此假设在机场阵列尺度上可能减弱。不同台站子集可能优先采样同一空-地耦合信号的不同频谱成分。

阵列处理中反方位角随频率的变化（族A约0.6°，族B约13.66°）可能反映：（1）不同频率的波采样了线源的不同部分（例如低频可能采样了较低高度、较晚的轨迹段）；（2）平流层精细结构导致的频率依赖传播效应；（3）反方位角估计的不确定性，因为低频FK主瓣较宽。空间混叠在>5 Hz明显，但族分离发生在~1 Hz附近，故非混叠所致。

与先前受控再入（Genesis、Stardust、Hayabusa）相比，OSIRIS-REx数据集提供了更大量的台站、更广的空间覆盖（7-20 km）和更高密度的阵列，使得阵列处理和互相关分析成为可能。与天然火球相比，OSIRIS-REx消除了源参数歧义，使观测到的波场复杂性可归因于传播和耦合过程而非源异质性，成为解释天然火球模糊信号的重要基准。对地球以外的行星（火星、金星、土卫六），大气-地震耦合观测同样重要，本研究展示的波场空间变异性对未来有限传感器覆盖的行星地震实验具有参考意义。

**结论部分**（翻译原文6个主要发现）：

i. 从下降超音速激波产生的空-地耦合信号在所有16个台站被检测到，表现出与已知轨迹弹道激波到达一致的脉冲起始和渐进移动。

ii. 在尤里卡机场阵列内，信号周期随距轨迹距离增加而系统性减小，表明较高频率成分在更大横向偏移距处变得更加突出。此模式与简单几何扩散和大气吸收的预期相反，表明传播或耦合效应以尚未完全理解的方式在地面重新分布频谱能量。

iii. 地震阵列处理识别出频率依赖的反方位角变化，较高频带（~1.1-4.5 Hz）指示从约1°到达，较低频带（~0.9-1.1 Hz）指示约14°。此差异的起源尚未解决；候选解释包括线源几何效应、平流层精细分层结构和近地表效应。

本研究为特征明确、结构完整的超音速源产生的空间复杂声-地震波场提供了现象学描述。信号周期测量显示主频的系统性空间变化，互相关分析指示地震阵列内波形相干性的有组织变化，波束形成揭示频率依赖的波方向性。OSIRIS-REx再入的地震分析为解释来自超音速大气源的空-地耦合信号提供了观测基准，并为未来聚焦研究奠定了基础。