Лунотрясения

[Девушка]

Степень рассеивания в горизонтальном направлении оказалась в 10 раз больше, чем по вертикали, значит, рассеиваются главным образом поверхностные волны. Теперь ясно, почему нет четких вступлений отдельных волн на лунных сейсмограммах — они разбиваются о многочисленные трещины, кратеры, борозды.

Сейсмограммы от лунотрясений, изученные подобным же образом, дали похожую, хотя и менее яркую, картину рассеяния, поскольку очаги лунотрясений находятся на большой глубине и волны от них пересекают рассеивающий слой один раз, притом в вертикальном направлении.

Из сравнения расчетных кривых с сейсмограммами удалось определить сейсмическую добротность рассеивающего слоя — величину, обратную ослаблению амплитуд волн на одном периоде колебаний. Она оказалась на Луне чрезвычайно высокой, около 5000, в 10—100 раз выше, чем в коре Земли. Объясняется это сухостью и отсутствием воздуха в пористых породах Луны. Когда земные образцы исследовали в лаборатории при низком давлении (10~2 атм), их добротность возрастала в 5 раз.

[Девушка]

Выяснилось, что рассеяние волн происходит в приповерхностном слое. До удалений на расстояние 150 км время нарастания амплитуд увеличивалось, а потом оставалось постоянным. Если это объяснять прониканием сейсмических лучей глубже рассеивающего слоя, то мощность слоя должна быть 15 км для частоты 1 Гц и 20—25 км для 0,5 Гц. Этот слой изобилует скоростными неоднородностями. Их преобладающий размер 2—5 км, а плотность, судя по соотношению амплитуд на разных частотах, уменьшается с глубиной. Это понятно, поскольку рассеивание связано в основном с трещинами, которые закрываются по мере роста давления (рис. 5).

<img src="../luna/image016.jpg" width="153" height="161" class=""/>

<i>О</i><i>20 90</i><i>00 </i><i>мин</i>

Рис. 5. График, показывающий ослабление амплитуд сейсмических волн во времени

1 — земные сейсмограммы на скальном грунте,

2 — земные сейсмограммы на слое осадков,

3 — теоретическая кривая для диффузионного рассеяния,

4 — экспериментальная кривая для Луны. По вертикали — квадрат амплитуды, по горизонтали — период колебаний

[Девушка]

Особенности распространения волн в случайно неоднородной среде могут быть описаны диффузионной теорией (аналогично броуновскому тепловому блужданию молекул).

Сотрудники отделения Земли и планет Массачусетского технологического института (США) на основе диффузионного уравнения изучили изменения амплитуд сейсмических волн во времени.

Параметрами уравнения являются свойства среды: скорости продольных и поперечных волн, коэффициенты рассеяния по горизонтали и вертикали, коэффициент поглощения или обратная величина, сейсмическая добротность. Для различных комбинаций этих параметров с помощью ЭВМ были рассчитаны теоретические кривые. Они сравнивались с сейсмограммами, полученными на станциях «Аполлон-12, - 14 и - 15» при ударах космических аппаратов на расстоянии 67—365 км.

[Девушка]

Группа сейсмологов, объединенных НАСА для анализа лунных сейсмических материалов, предложила гипотезу рассеяния. Она предполагает сильную неоднородность лунного вещества из-за трещиноватости, рожденной ударами метеоритов. Сейсмические волны в такой среде многократно отражаются, рассеиваются на мелких неоднородностях, а изначальный сигнал затягивается.

Для проверки гипотезы в лаборатории провели моделирование: взяли стальную пластинку (размером 1000Х600Х2 мм), испещрили ее случайно расположенными отверстиями (размер 30X3 мм, плотность 400 отверстий на 1 м2) и просветили ее ультразвуковыми волнами (длина которых в 4 раза меньше отверстия). Получилась сейсмограмма, напоминающая (в соответствующем масштабе) лунную.

[Девушка]

Сторонники гипотезы «дисперсии» объясняли растягивание записи различной скоростью пробега компонент поверхностных волн, имеющих разные периоды. Согласно расчетам, если тонкий слой, в котором скорость распространения поперечных волн менее 100 м/с, лежит па жестком основании, имеющем скорость продольных волн около 2 км/с, то даже при разнице периодов колебаний на 0,3 с скорости радиочастотных компонент будут различаться в 50 раз. На дистанции 135 км высокочастотные колебания запоздают па 74 мин.

Возможен и другой эффект: волны бегут в верхнем низкоскоростном слое— «сейсмическом канале», многократно отражаясь от его кровли и подошвы. Аналогичные явления известны на Земле, например подводный звуковой канал в океане, который используется при дальней связи в мореходстве. На Луне ситуация для сверхдальнего пробега волн благоприятнее. Там нет ни воздуха, ни воды, поэтому ничтожно малы неупругие тепловые потери энергии волн.

[Девушка]

Пока по техническим причинам задерживался вылет очередного «Аполлона», на страницах научных журналов разыгралась «борьба идей», претендующих на объяснение лунного «сейсмозона». Не все гипотезы были собственно сейсмическими.

Так, специалисты по аппаратуре некоторые особенности записи приписывали специфике согласования емкостного датчика со схемой преобразования сигнала. Появилась и баллистическая гипотеза: удар поднял многотонное облако пылинок, которое пронеслось над поверхностью и «просыпалось» на сейсмометры.

Все же большинство авторов апеллировало к особенностям распространения сейсмических волн. Теоретики подсчитали, что так долго должен звучать однородный шар из-за совместного эффекта отражения, рассеяния и дифракции волн от его искривленной поверхности (однако вскоре стало ясно, что Луна имеет слоистое строение).

[Девушка]

Лунные записи почти не имеют земных аналогов. Амплитуда колебаний поверхности Луны сперва растет, достигая максимума на 5—15 мин, а потом медленно, часами, ослабевает. На Земле записи взрывов и землетрясений на расстоянии нескольких сотен километров длятся менее 1 мин, если станция стоит на скальном грунте. В мощных осадках или ледовом покрове волны распространяются не более 10 мин.

На лунных сейсмограммах нечетки вступления объемных (продольных и поперечных) волн и практически отсутствуют фазы поверхностных волн, форма колебаний на

<img src="../luna/image014.jpg" width="347" height="263" class=""/>

Рис. Пример лунных сейсмограмм, полученных от приливных(а) и тектонических (б) лунотрясений и падений метеоритов (в) вертикальном и горизонтальных сейсмометрах не повторяется (рис. 4).

[Девушка]

С нетерпением ждали ученые новой экспедиции. Но высадка на Луну астронавтов, летевших на «Аполлоне-13», не состоялась. Однако в отношении сейсмики полет этот по был безрезультатным.

Третья ступень космической ракеты «Сатурн-5», сообщившая «Аполлону» вторую космическую скорость, отделившись от него, тоже летела к Луне (астронавты даже видели ее из иллюминатора). 14 апреля 1970 г. 15-тонный аппарат со второй лунной космической скоростью (2,5 км/с) упал на расстоянии 135 км от сейсмометров в районе Моря Познанного. Удар был эквивалентен 10-тонному взрыву тротила.

На этот раз энергия сейсмических волн (5 • 1012 эрг) соответствовала землетрясению 5—6 класса, и колебания на сейсмограмме не затухали 4 ч.

[Девушка]

Первое искусственное лунотрясение произошло 20 ноября 1969 г. После старта с Луны и перехода астронавтов в «Аполлон» лунный модуль был отброшен. Беззвучно прочертил он пологую траекторию в черном небе Луны и врезался в ее поверхность на расстоянии 67 км от накануне открытой сеймической станции «Аполлон-12».

Удар 2,5-тонного аппарата на первой лунной космической скорости (1,7 км/с) был эквивалентен взрыву заряда тротила массой 800 кг, его сейсмическая энергия 3-Ю10 эрг. С поверхности поднялось многотонное облако пыли. Через 23,5 с дрогнул маятник сейсмометра. Еще через секунду сигнал достиг анализирующих устройств на Земле и... понадобились долгие месяцы, прежде чем сейсмологи оправились от неожиданности: колебание поверхности Луны продолжалось целый час.

[Девушка]

Скорость сейсмических волн в Земле в целом растет с глубиной, поэтому сейсмические «лучи», загибаясь, приносят к поверхности информацию о физических условиях на глубине. Кроме того, Земля расслоена в направлении от поверхности к центру. Волны отражаются от резких границ между слоями и возвращаются к поверхности. Для анализа сейсмических данных на Земле развиты определенные представления, алгоритмы и аппарат интерпретации, согласно которым волновое поле разбивается на опорные группы волн, соответствующие различным слоям.

Этот опыт нельзя было использовать на Луне. Сейсмологам пришлось, начиная с 1969 г., учиться интерпретации заново. Лунная сейсмика оказалась и проще и сложнее земной. Она просто совсем другая.