Лунотрясения

[Девушка]

Что касается неупругих тепловых потерь, то в обоих регионах они близки. Фактор диссипации (сейсмическая добротность Q) растет пропорционально корню квадратному из частоты колебаний. Нижний предел значений Q для разреза мощностью несколько километров (Qр>2000) на порядок выше, чем на Земле.

Найдена эмпирическая зависимость числа рассеивателей (N) от их размеров (D) lg N (на 1 км2) = (4,0—4,1)— - 1,5 lg De (м).

Рассеивателей с эффективным диаметром De>10 м оказывается на Луне около 300 на 1 км2. При увеличении диаметра вдвое число рассеивателей возрастает в 2,8 раза. Интересно, что распределение рассеивателей похоже на распределение числа метеоритных кратеров на поверхности (кратеров с диаметром 10 м оказывается около 700 на 1 км2). По-видимому, в рассеянии сейсмической энергии на Луне значительную роль играют не только приповерхностные слои, но и особенности рельефа.

Как видим, не зря ездили по Луне астронавты: сейсмический КПД лунных маршрутов весьма высок, в том числе и для земных проблем. Новый теоретический подход может быть с успехом применен (и уже применяется в несколько иных вариантах) для расшифровки сейсмограмм землетрясений.

Диффузивные свойства сейсмических волн на Земле на сопоставимых дистанциях оказались, как это ни странно, сходными с лунными. Основное различие в облике сейсмограмм связано с поглощением (диссипацией), а не рассеянием энергии. Для описания распространения сейсмических волн на Земле нужна теория, представляющая комбинацию диффузионного и волнового подхода.

[Девушка]

Анализ луноходных сейсмограмм позволил определить новые физические параметры среды и сопоставить по этим параметрам два селенологически разных региона, разделенных тысячекилометровой дистанцией.

Экспериментально подтверждено предсказание теории о том, что диффузивность уменьшается с ростом частоты (от 0,03 км2/с на 4 Гц до 0,02 км2/с на 8 Гц). Таким образом, рассеяние на высоких частотах сильнее. Рассеяние энергии происходит в основном вблизи сейсмометра, и притом в виде объемных волн.

Интервал свободного пробега (вероятность рассеяния) уменьшается с ростом частоты, поскольку рассеяние растет, а диффузивность падает. Для типичного разреза верхних слоев (реголит мощностью 4—12 м со скоростью распространения волн 100 м/с, подстилаемый слоем брекчий, где скорости волн 300 м/с) средний интервал свободного пробега волн около 100 м.

Горный район кратера Декарт, сложенный более древними породами, оказался однороднее района Апеннин, диффузивность в нем (0,022—0,033 км2/с) в полтора раза выше, чем в районе работ «Аполлона-15». Это различие превосходит возможные ошибки измерений.

Луноходы одинаковой конструкции и одного веса, двигаясь со сравнимой скоростью, на кратере Декарт возбуждали более интенсивные волны, чем в Апеннинах. Это хорошо увязывается с обсуждавшимися выше результатами активной сейсморазведки: на кратере Декарт слой реголита мощнее и скорость распространения волн в подстилающих слоях брекчий ниже. К тому же и сейсмичность (число лунотрясений) здесь в несколько раз выше, чем в Апеннинах. Словом, наблюдается хорошо известный в земной сейсмологии эффект: в районах рыхлых и мощных осадков сейсмические колебания интенсивнее, чем на коренных породах.

[Девушка]

Теория хотя и не вполне математически строго, но достаточно хорошо объясняет все наблюдаемые особенности сигналов. Сейсмическая среда предполагается двумерной, рассеиватели разных размеров вкраплены в нее случайно, потери сейсмической энергии связаны с процессами рассеяния и поглощения. Поглощение, как это обычно принято в земной сейсмике, количественно оценивается безразмерным коэффициентом — добротностью — величиной обратно пропорциональной неупругим потерям энергии волны на одном цикле колебаний. Для характеристики рассеяния вводятся параметры: диффузивность и интервал свободного пробега волны.

Диффузивность пропорциональна скорости распространения волны и интервалу свободного пробега. Она тем выше, чем меньше потеря энергии при рассеянии. Теория объясняет наблюдаемые особенности сигналов: плавные вариации амплитуд, постепенный рост амплитуд после начала движения, их плавный спад после остановки лунохода. Объяснена также и совсем неожиданная закономерность: при движении лунохода от сейсмической станции сигналы накладываются друг на друга более благоприятно, чем при движении по направлению к сейсмометру. Поэтому максимальная амплитуда интерференционною колебания оказывается раза в три больше при удалении лунохода.

[Девушка]

Лунная ситуация представляет комбинацию первых двух случаев. Особенность луноходного эксперимента по сравнению с ударами космических аппаратов состоит в том, что луноходы излучали в грунт упругие волны, которые на всем пути до сейсмометра (4 км) распространялись в сильно рассеивающей среде.

Иосио Накамура из геофизической лаборатории морского института Техасского университета предложил для объяснения «сейсмолуноходных сюрпризов» теорию, названную им сейсмической диффузионной. Вместо детерминистического решения уравнений вводится вероятностно-статистическое описание «блужданий» волн среди бесчисленных контрастов неоднородностей, напоминающее броуновское движение молекул.

Особая благоприятность применения такого подхода к лунным сейсмограммам связана со специфическими физическими свойствами приповерхностного слоя:

1) высокая неоднородность (трещиноватость) обусловливает интенсивное рассеяние волн; 2) почти полное отсутствие летучих элементов приводит к малому поглощению (неупругим тепловым потерям) энергии;

3) высокий градиент скорости в верхних слоях создает приповерхностный сейсмический канал и нарушает похожесть записи на разных компонентах сейсмометров. Именно для лунного случая можно говорить о полном рассеянии, потере первоначального направления распространения сейсмической волны.

[Девушка]

Казалось бы, что общего между передвижением транспорта и сейсмологией? Земной опыт свидетельствует скорее об отсутствии связи между ними. Движение и работа механизмов создают помехи, от которых при сейсмических исследованиях стараются избавиться: работают по ночам, вдали от населенных пунктов и дорог, в безветрие и штиль.

На Луне, по крупицам собирая уникальные данные, исследователи обратили дрожание реголита под колесами луноходов в информацию о физических свойствах верхних слоев Луны.

Именно для этого случая, когда ввиду малых дистанций между источником и приемником распространение сейсмических волн происходит в верхнем, наиболее трещиноватом слое, лучше всего подошли представления о детерминированно-случайном процессе многократного рассеяния волн на скоростных неоднородностях.

Распространение волн в случайно неоднородной среде рассматривалось в атмосферной акустике и в гидроакустике и недавно введено в земную сейсмику. В зависимости от соотношения длин волн (Л) и размеров неоднородности (D) возникает три ситуации. При Л>>D имеет место так называемое релеевское рассеяние, когда амплитуда волн пропорциональна квадрату радиуса неоднородности и четвертой степени частоты, f(A~D2f4)- При сопоставимых размерах Л~D амплитуда рассеянной компоненты пропорциональна размеру неоднородности и квадрату частоты (А~DF2). При длинах волн, много меньших размеров неоднородности Л<D, распространение хорошо описывается детерминированным волновым уравнением, амплитуда убывает обратно пропорционально дистанции в соответствии с геометрическим расхождением — увеличением фронта волны (A~D-1).

[Девушка]

31 июля 1971 г. во время работы в районе Апеннин экспедиции «Аполлона-15» на Землю с Луны поступили странные сигналы. Как и при ударах космических аппаратов, амплитуда записи медленно нарастала и плавно спадала. Но всплески были короткими, продолжались не часы, а минуты. Источник, судя по всему, находился недалеко от сейсмометров. Спектральный состав сигналов был относительно высокочастотным, именно поэтому такие эпизодически возникающие помехи ощущал лишь вертикальный 1-герцовый сейсмометр.

Разгадка пришла, как только сравнили время фиксации странных сигналов с расписанием поездок астронавтов Скотта и Ирвина на четырехколесном вездеходе к предгорьям Апеннин и к Борозде Хэдли. Вездеход весил вместе с астронавтами 700 кг (земных) и развивал на каменно-пустынном грунте скорость до 10 км/ч. Картина (теперь уже заранее предсказанная) повторилась в апреле 1972 г. во время работ в районе кратера Декарта экспедиции «Аполлона-16».

[Девушка]

Сейсмические свойства лунного грунта заметно отличаются от земных грунтов низкими скоростями сейсмических волн и высоким коэффициентом Пуассона.

Сравнение лунного грунта с различными грунтами Земли показано на рис. 7. Несмотря на большое разнообразие земных грунтов, непросто подыскать для лунного реголита сейсмический аналог на Земле. Скорости продольных волн в реголите близки к тем, которые зарегистрированы в придонных океанических илах Земли, состоящих из смеси трех фаз вещества — твердых частиц, жидкостей и газов. При распространении волн в придонных осадках наблюдается и специфическое затягивание, и скоростное рассеивание сигнала, известное в акустике как «фаза Эйри». Но аналогия эта чисто внешняя — грунт Луны сух, в его порах нет воздуха.

По величине и отношению скоростей ближе всего подходит к лунному реголиту земной чернозем. Скорости в слое брекчий сродни тем, которые наблюдаются в обломочных материалах, слагающих окрестности вулканических кратеров, например кратеров Камчатки.

[Девушка]

Рис. 7. Диаграмма скоростей продольных (Vр и поперечных (Vs) волн для грунта Луны и Земли.

<img src="../luna/image020.jpg" width="198" height="178" class=""/>

Показаны расчетные прямые для соответствующих соотношений скоростей Vр/Vs

Луна:

1 — реголит,

2 — брекчии,

2 — трещиноватый базальт;

Земля:

4 — чернозем,

5 — сухой песок,

6 — лёсс,

7 — глинозем.

Прямые — расчетные зависимости для указанных величин Vр/Vs

[Девушка]

Каковы основные результаты изучения верхней части лунного разреза?

Луна разделена на отдельные слои, скорость продольных и поперечных волн растет с глубиной от слоя к слою скачком. Градиент этого роста нельзя объяснить простым уплотнением пород под действием их веса, он обусловлен сменой генетического и химического состава.

Повсеместно поверхность Луны покрыта однородными слоями реголита и брекчий. Мощность реголита меняется в разных районах от 2 до 12 м, скорость продольных волн 90—115 м/с, поперечных—35—37 м/с, отношение скоростей продольных и поперечных волн — 2,7—2,9, соответствующее значение упругого параметра — коэффициента Пуассона 0,42—0,43, плотность 1,5—1,6 г/см3, пористость выше 50%.

В слое брекчий скорость продольных волн 300±50 м/с, отношение скоростей 2,2—2,4, коэффициент Пуассона 0,37—0,4, плотность 1,7—1,8 г/см3, мощность 18—38м.

Отмечена горизонтальная изменчивость свойств этих, в общем довольно однородных, слоев.

Самый тонкий слой реголита обнаружен в Море Познанном (1—3,5 м), в Апеннинах он увеличивается до 1,5—5,5 м, в районе Тавра равен 5,1—5,7, во Фра-Мауро 8,5—8,7, на кратере Декарт 12,4—13,0 м. Интересно, что в том же порядке растет мощность второго слоя брекчий (18, 21, 28, 38 м) и уменьшается скорость волн в нем.

Но самое важное — обнаружена тесная связь между физическими свойствами слоев и числом лунотрясений, зарегистрированных на сейсмической сети «Аполлон»: чем больше мощность, тем сейсмичнее регион. Подобные эффекты имеют место и на Земле — чувствительность сейсмических станций, установленных на рыхлых осадках, гораздо выше, чем на скальных породах.

[Девушка]

Скорости поперечных волн удалось определить по записям длиннопериодных сейсмометров основной сейсмической сети «Аполлон», вернее, по отношению их амплитуд на горизонтальных и вертикальных сейсмометрах.

Из теории известно, что в поверхностной сейсмической волне частички грунта совершают движение по эллипсу. Соотношение осей (эксцентриситет) эллипса зависит от распределения по глубине упругих параметров: скоростей продольных и поперечных волн и плотности. К сожалению, поверхностные волны «разбиты» из-за рассеяния на неоднородностях, так что четких вступлений выделить не удается и соответственно нельзя использовать такие важные их свойства, как фазовые и групповые скорости и дисперсионные кривые. Но можно узнать кое-что по характеру орбит частиц в поверхностной волне, т. е. по особенностям записи вертикальной и горизонтальной компонент движения грунта.

Такую попытку предприняли сотрудники Института геофизики Гавайского университета в Гонолулу. Они построили спектральные отношения амплитуд для горизонтальной и вертикальной компонент движения грунта в диапазоне частот 0,8—20 Гц. Использовались сейсмограммы, полученные при ударах отработавших ступеней и метеоритов на сейсмических станциях «Аполлон-12, - 14 и -15». Затем рассчитали теоретические отношения амплитуд для большего числа моделей с правдоподобными значениями упругих параметров и отобрали те из них, для которых теоретические расчеты оказались похожими на результаты наблюдений.