Строение Луны - [2]

Сейсмичность и скоростная структура Луны

Методика эксперимента. Наиболее важные сведения о строении и состоянии недр Луны были получены благодаря лунному сейсмическому эксперименту. Он проводился в рамках программы «Аполлон» и состоял из непрерывной регистрации естественных лунотрясений и падений метеоритов с помощью сейсмометров, установленных американскими космонавтами на поверхности Луны, а также из активного исследования — с помощью искусственных источников сейсмических волн: взрывов и ударов при падении космических аппаратов (лунной кабины, ступени ракеты-носителя) на поверхность Луны. [2]

Первый лунный сейсмометр был установлен 20 июля 1969 г. в Море Спокойствия на видимой стороне Луны во время экспедиции «Аполлона-11». Он питался солнечными батареями и вел сейсмическую запись только днем. В период с ноября 1969 г. по декабрь 1972 г. на. видимой стороне Луны была создана сеть из четырех однотипных автоматических сейсмических станций, которые питаются изотопными энергетическими установками, рассчитанными на 10 лет непрерывной работы. Координаты и дата начала работы станций приведены в таблице.

Каждая из этих станций оборудована сейсмометрами двух типов и электронным блоком (рис. 1). Три длиниопериодных сейсмометра расположены вертикально и горизонтально и позволяют фиксировать сейсмические волны от удаленных источников и определять направление на эпицентр. Для более точного выделения воля на малых расстояниях используется вертикальный короткопериодный сейсмометр. Эти сейсмометры чувствуют ничтожные перемещения поверхности, соизмеримые с размерами атома (10^-8 см). На Земле вести наблюдения при такой чувствительности аппаратуры почти невозможно: мешают микросейсмы, волнение океана, ветер, а также промышленные механизмы. Луна в связи с отсутствием атмосферы, гидросферы, биосферы и активных внутренних процессов представляет собой идеальный полигон для сверхточных сейсмических исследований.

Электронный блок сейсмической станции включает усилитель, фильтр, командно-контрольную схему и аналого-цифровой преобразователь (передача сейсмических данных на Землю происходит со скоростью 1060 бит/с). Вся станция потребляет мощность лишь 4,3–7,4 Вт; температура внутри приборов постоянная с точностью ±1 °C. Вес каждого сейсмометра 750 г, размеры без термостата 23 х 29 см. Общий вес сейсмической станции 11, 5 кг. Сейсмометры управляются с Земли при помощи команд, которые регулируют усиление, калибровку, скорость и направление движения моторов, устанавливающих с точностью ±5° нужные азимут и наклон вертикальных сейсмометров.

Рис. 1. Лунные сейсмометры (а — блок-схема, б — частотные характеристики):

1 — солнечный компас; 2 — датчик уровня; 3 — короткопериодный сейсмометр (КП); 4 — длиннопериодный сейсмометр (ДП); 5 — термостат

В настоящее время действуют все сейсмометры этой сети, кроме короткопериодного, установленного экспедицией «Аполлона-12», и вертикального длиннопериодного сейсмометра «Аполлона-14».

Лунные сейсмограммы совершенно непохожи на земные (рис. 2): амплитуда зарегистрированных сейсмических колебаний нарастает постепенно и спадает еще более медленно («сейсмозвон» на Луне длится часами). Записи на вертикальном и горизонтальном сейсмометрах непохожи друг на друга, и не существует четких вступлений волн в последующей части записи — для их выделения приходится прибегать к различным ухищрениям: использовать узкополосные частотные и поляризационные фильтры и т. д.

Рис. 2. Форма записи тектонических, приливных лунотрясений и ударов метеоритов

Для этих вначале заинтриговавших особенностей лунных сейсмограмм было получено объяснение. Дело в том, что верхний слой Луны очень неоднороден и разбит трещинами вследствие метеоритной бомбардировки. Сейсмические сигналы, рассеиваясь на этих неоднородностях, растягиваются «во времени» и разрушаются. При этом из-за отсутствия на Луне воздуха и воды тепловые потери упругой энергии невелики, и, наоборот, так называемая сейсмическая добротность (величина, обратная потере энергии на одном цикле сейсмических колебаний) большая — поэтому-то колебания не затухают очень долго (рис. 3).

Особенности распространения сейсмических волн в такой неоднородной среде довольно точно описываются уравнениями диффузионной теории (кстати говоря, как и в случае броуновского движения молекул). С помощью этих уравнений получены следующие оценки свойств лунного рассеивающего слоя: его эффективнаямощность равна 15–25 км, размеры неоднородностей— 2–5 км (причем степень неоднородности уменьшается с глубиной).

Приливные лунотрясения. Среди естественных сейсмических событий на Луне выделяют приливные, тепловые и тектонические лунотрясения, а также падения метеоритов. Сейсмологами разработаны критерии распознавания природы события по виду его записи, подобные тем, которые используются на Земле для идентификации землетрясений и ядерных взрывов.

Тепловые сотрясения почвы вызываются перепадами температур поверхности Луны, достигаемых в течение лунного дня и лунной ночи (до 300 °C). Они сопровождаются растрескиванием огород и оползанием склонов кратеров, что приводит к медленному выравниванию лунного рельефа (за 5 млн. лет склон 200-метрового кратера становится более пологим на 1°). Однако абсолютное большинство всех сейсмических явлений на Луне (около 90 %) составляют относительно редкие, регулярные, весьма слабые приливные лунотрясения с очень глубокими очагами.