ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ - Студенческий научный форум

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ

Кафтаева А.Н. 1
1БГТУ им. В.Г Шухова
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Луна – один из самых ярких объектов ночного неба, поэтому она всегда вызывает у людей интерес. Древний человек, всматриваясь в ночное небо, заметил движение Луны, Солнца и звезд. Древние племена даже поклонялись Луне. Древние вавилоняне наблюдали смену фаз Луны, вычисляли время обращения Луны вокруг Земли с такой точностью, что в наши дни ученые вооруженные сверхсовременными приборами, поправили эту величину всего лишь на 0,4 секунды. А ведь древние жители Междуречья не обладали ни угломерными инструментами, ни часами – хронометрами.

Луна ближайшее к Земле небесное тело, являющееся единственным спутником Земли. Невооруженному глазу на Луне видны темные образования, которые называются морями (лавовые поля, молодая поверхность Луны). Если посмотреть на Луну в телескоп можно рассмотреть большее количество подробных деталей: цирки кратеров, цепочки гор, трещины и прочее. Вид поверхности Луны вызывает ассоциации с пустынями нашей планеты. Ее поверхность покрыта слоем пыли и реголита. Большая часть кратеров образовалась от ударов метеоритов. Если метеориты были больших размеров, удар вызывал извержение лавы из лунной мантии.

Согласно более поздним гипотезам, вулканическая активность имела место на протяжении всей истории формирования Луны. Были найдены образцы грунтов, образовавшиеся в результате извержения вулканов 900 миллионов лет назад, а ведь до недавнего времени считалось, что вулканическая активность была полтора миллиарда лет до образования нашего спутника [1].

Форма Луны очень близка к шару с радиусом 1737 км. Площадь поверхности Луны составляет 107 км2, а объем – 1025 см3. Более детальное определение фигуры Луны затруднено тем, что на ней, из за отсутствия океанов, нет явно выраженной уровневой поверхности, по отношению к которой можно было бы определить высоты и глубины, кроме того, поскольку Луна повернута к Земле одной стороной, измерять с Земли радиусы точек поверхности видимого полушария Луны представляется возможным лишь на основании слабого стереоскопического эффекта, обусловленного либрацией. Изучение либрации позволило оценить разность главных полуосей эллипсоида Луны. Полярная ось меньше экваториальной, направленной в сторону Земли, примерно на 700 м и меньше экваториальной оси, перпендикулярной направлению на Землю, на 400 м. Таким образом, Луна под влиянием приливных сил, немного вытянута в сторону Земли. Масса Луны в 81 раз меньше массы земли. Средняя плотность Луны равна 3,34 г/см3. Ускорение силы тяжести на поверхности Луны в 6 раз больше, чем на Земле, составляет 162.3 см/сек2 и уменьшается на 0.187 см/сек2 при подъеме на 1 километр. Первая космическая скорость 1680 м/сек, вторая – 2375 м/сек. Вследствие малого притяжения Луна не смогла удержать вокруг себя газовой оболочки, а также воду в свободном состоянии.

Поверхность и рельеф. Уже со времен Галилея началось составление карты Луны. Первые подробные карты лунной поверхности составил выдающийся польский астроном Я. Гевелий и опубликовал их в 1647 г. в сочинении «Селенографии» или «Описание Луны». В 1651 году итальянский астроном Д.Ж. Риччиоли тоже опубликовал карту Луны, составленную им совместно с итальянским физиком Ф. Гримальди. На этой карте впервые округлые низменности названы морями, которые сохранили свои названия до наших дней: Море Спокойствия, Море Ясности, Море Опасности, Море Дождей, Море Облаков и т.д. Их размеры от 200 до 1100 км в поперечнике. «Моря» – низменности, в которых нет воды. Дно их темное и сравнительно ровное. Поверхность морей сложена и покрыта темным веществом, в том числе застывшей лавой, некогда изверженной из лунных недр. Самая большая низменность, протяженностью 2000 км названа Океаном Бурь. Поверхность морей имеет складки и холмы, а также небольшие остроконечные и округлые возвышенности, представляющие собой вершины невысоких гор, так же залитых затвердевшей впоследствии лавой. Ккраевые зоны морей названы заливами, а небольшие изолированные темные низменности – озерами. Моря и озера занимают около 40 % всей видимой с Земли поверхности Луны, большинство их расположено в северном ее полушарии. Остальная часть лунного полушария представляет собой материк, покрытый отдельными горами, а так же горными цепями и хребтами. Большинство горных хребтов тянется вдоль окраины морей и носит земные названия, предложенные Я. Гевелием. Так, Море Дождей ограничено с северо-востока Альпами, с востока – Кавказом, с юго-востока – Апеннинами, а с юга – Карпатами. Некоторые горные цепи названы именами ученых: горы Даламбера, горы Лейбница, и т.д. Высота отдельных горных вершин поднимаются до 9 км. Горные склоны изрезаны ущельями и трещинами, а между горами тянутся длинные долины. Форма лунных гор – это большей частью круглая гора с котловиной посередине. Но котловина не всегда пуста, не всегда оказывается кратером новейшим: в середине его иногда возвышается еще целая гора и опять с углублением, которое оказывается кратером более новым, но редко, редко действующим с краснеющей внутри, на самом дне его, лавой. На луне много плоскогорий с крутыми склонами, широких и узких трещин в коре протяженностью в несколько десятков и даже сотен километров. Лунный рельеф лучше изучать при косом освещении солнечными лучами, в особенности недалеко от терминатора, отделяющее дневное полушарие Луны от ночного, т.е. вблизи него тени даже от невысоких гор очень длинные и легко заметны. Очень интересно в течение часа проследить в телескоп за тем, как вблизи терминатора на ночной стороне загораются светлые точки – это вершины валов лунных кратеров. Постепенно из тьмы выплывает светлая подкова – часть кратерного вала, но дно кратера еще погружено в полный мрак, наконец, обрисовывается весь кратер. При этом хорошо видно, что, чем меньше кратеры, тем их больше. Они часто расположены цепочками. В центре кратеров видна горка, в действительности это группа гор. Кратерные стены обрываются террасами круто внутрь. Дно кратеров лежит ниже окружающей местности. Горные районы лунной поверхности почти полностью покрыты множеством кратеров, в меньшем числе они имеются и в морях. Размеры кратеров от 1 м до 250 км. Рассмотрим поподробнее происхождение кратеров.

Большая часть кратеров обязана своим происхождением ударам мелких метеоритов. При ударе о Луну метеорит не встречает противодействия атмосферы. Не меняя скорости, он ударяется о грунт и взрывается. Если скорость соударения 16 км/с, то средняя скорость во время проникновения в грунт 8 км/с. Даже полуторакилометровый астероид затормозится менее чем за полсекунды. Естественно, что происходит взрыв необычайной силы и появляется кратер. Кратер образуется частично под воздействием газа, возникшего при испарении метеорита и грунтовых пород, а частично под воздействием образующейся в грунте ударной волны. Ударная волна возникает, когда внезапно освободившая энергия распространяется в среде со сверхзвуковой скоростью. Возникшие при этом силы выбрасывают часть грунта, расположенного выше точки взрыва далеко от места соударения, но главным образом кратер образуется при мгновенном смещении горных пород во всех направлениях от точки взрыва. Энергия взрыва превосходит энергию химических связей в породах и при распространении в них ударной волны породы становятся пластичными. Они сминаются, изгибаются и выдавливаются вверх и в стороны, образуя углубления и в большую часть вала. Например, Море Дождей было образовано именно таким образом.

В мае 1972 года с Луной столкнулось крупное метеоритное тело. По сообщению сейсмолога Г. Латама, падение было зарегистрировано и передано по телеметрии на Землю четырьмя сейсмометрами, доставленными на Луну астронавтами. Выделившаяся при падении энергия была эквивалентна взрыву приблизительно 1 тыс тн тринитротолуола.

Метеоритам, по-видимому, обязаны своим происхождением и длинные светлые лучи, которые радикально расходятся от некоторых крупных кратеров на рассмотрении в несколько сотен и даже тысяч километров. Они представляют собой цепочки мелких кратеров, покрытых мелкозернистым веществом, сильно рассеивающим солнечный свет.

3 февраля 1966 года впервые в истории человечества на лунную поверхность в Океан Бурь мягко опустилась автоматическая станция «Луна-9», стартовавшая с земли 31 января 1996 года. Эта станция передала на Землю изображение лунного ландшафта. Мягкая посадка автоматической станции «Луна-9» на поверхность Луны – выдающееся научное и техническое достижение. Впервые стало возможным исследовать микроструктуру лунной поверхности. Вблизи станции внутри небольшого кратера нет заметного слоя пыли. Грунт достаточно твердый, чтобы выдержать вес станции. На поверхности отдельные камни не только не заносятся пылью, но как бы "вырастают" из поверхности грунта в результате его постепенного разрушения. Другой распространенный элемент ландшафта – это камнеобразные и комьеобразные объекты. Размеры их различны. 21 июня 1969 года на луну в Море Спокойствия опустилась впервые посадочная кабина «Игл» американского космического корабля «Аполлон-II» и первые люди ступили на лунную поверхность; ими были Н. Армстронг и Э. Олдрин. Они установили на Луне несколько научных приборов, в том числе сейсмографы, взяли образцы лунных пород, вернулись в корабль, где их ожидал астронавт М. Коллинз, и 24 июля возвратились на Землю. В последующие 2 года еще 5 американских экспедиций побывало на Луне, благополучно вернувшихся на Землю [1].

Внутреннее строение.

Рис. 1 – Разрез луны

Самый верхний слой луны представлен корой, толщина которой составляет 60 км. Весьма вероятно, что на обширных материковых площадях обратной стороны Луны кора приблизительно в 1,5 раза мощнее. Кора сложена изверженными кристаллическими горными породами - базальтами. Однако по своему минералогическому составу базальты материковых и морских районов имеют заметные отличия. В то время как наиболее древние материковые районы Луны преимущественно образованы светлой горной породой - анортозитами (почти целиком состоящими из среднего и основного плагиоклаза, с небольшими примесями пироксена, оливина, магнетита, титаномагнетита и др.), кристаллические породы лунных морей, подобно земным базальтам, сложены в основном плагиоклазами и моноклинными пироксенами (авгитами).

Под корой расположена мантия, в которой, подобно земной, можно выделить верхнюю, среднюю и нижнюю. Толщина верхней мантии около 250 км, а средней примерно 500 км, и ее граница с нижней мантией расположена на глубине около 1000 км. До этого уровня скорости поперечных волн почти постоянны, и это означает, что вещество недр находится в твердом состоянии, представляя собой мощную и относительно холодную литосферу, в которой долго не затухают сейсмические колебания. Состав верхней мантии предположительно оливинпироксеновый, а на большей глубине присутствуют шницель и встречающийся в ультраосновных щелочных породах минерал мелилит. На границе с нижней мантией температуры приближаются к температурам плавления, отсюда начинается сильное поглощение сейсмических волн. Эта область представляет собой лунную астеносферу. В самом центре, по-видимому, находится небольшое жидкое ядро радиусом менее 350 километров, через которое не проходят поперечные волны. Ядро может быть железо-сульфидным либо железным; в последнем случае оно должно быть меньше, что лучше согласуется с оценками распределения плотности по глубине. Его масса, вероятно, не превышает 2% от массы всей Луны. Температура в ядре зависит от его состава и, видимо, заключена в пределах 1300 - 1900 °К [2].. [http://otherreferats.allbest.ru/air/00193345_0.html]

Сейсмические данные.

Первые сейсмические эксперименты на Луне проведены в 1969 г. после посадки космического аппарата «Аполон-11» (А 11). Затем сейсмические станции устанавливались другими экспедициями до А 17. Источниками питания сейсмической станции А-11 были солнечные батареи; станция работала в течение непродолжительного срока. Приборы последующих экспедиций (А-12, 14, 15, 16) образовали сеть из четырех станций (рис. 2), каждая из которых состояла из трехкомпонентного длиннопериодного и вертикального короткопериодного сейсмометров. В качестве источников питания использовались изотопные энергетические установки. В связи с низким сейсмическим фоном на Луне все длиннопериодные сейсмометры имели чувствительность в 1000 раз большую, чем аналогичные приборы, используемые в стандартной мировой сейсмической сети. В месте посадки А-17 был установлен лунный гравиметр, который временами мог работать как короткопериодный сейсмометр. Лунные станции работали до 1 октября 1977 г. В настоящее время они выключены. Лунные сейсмические станции непрерывно регистрировали естественные события: лунотрясения и падения метеоритов. Этот пассивный сейсмический эксперимент.

Рис. 2Распределение эпицентров лунотрясений и положение сети сейсмических

станций А-12, 14, 15, 16 и 17. Черные значки обозначают события на обратной стороне Луны, а заштрихованные – на её обратной стороне. Неясно, обусловлена ли редкость событий на обратной стороне Луны затуханием волн в недрах Луны и геометрией расположения сети станций или же реальная частота событий в удаленном полушарии меньше 1 — сейсмометры, 2 — глубокофокусные события, 3 — мелкофокусные события.

На Луне были выполнены также активные сейсмические эксперименты двух типов. В активных экспериментах первого типа сейсмические волны возбуждались падением отработанных частей космических аппаратов «Аполлон». По команде с Земли третья ступень ракеты направлялась в заданную точку Луны. Ее масса составляла 14 т, скорость удара о лунную поверхность 2,5 км/с, кинетическая энергия 5 • 1017 эрг, сейсмическая энергия 5 -1012 эрг. Такой же сейсмический эффект получается при взрыве заряда массой в 10 т (говорят, что тротиловый эквивалент удара равен 10 т). Лунный модуль, в котором

космонавты стартовали с Луны, после стыковки и перехода космонавтов в командный отсек также сбрасывался на Луну. Его масса 2,4 т, скорость падения 1,7 км/с, кинетическая энергия удара 3 • 10‘6 эрг, выделяемая сейсмическая энергия (1,5 - 3) 1010 эрг, тротиловый эквивалент 800 кг. Такой эксперимент можно рассматривать как космическую разновидность метода глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). На Земле метод ГСЗ широко используется для изучения детального строения земной коры с помощью взрывов мощных зарядов взрывчатых веществ. Активные эксперименты второго типа похожи на земную сейсморазведку. В этом случае космонавты устанавливали на сейсмическом профиле длиной в сотню метров несколько геофонов, которые регистрировали около десятка искусственных взрывов зарядов от 100 г до 2,7 кгс расстояний 100 м - 2,7 км. Активные эксперименты позволили выявить детальную структуру наружных слоев в местах посадки А-14 — А-17. Сейсмичность Луны изучалась на протяжении восьми лет. Наряду с падением метеоритов на Луне систематически регистрировались сейсмические толчки трех типов: тепловые (высокочастотные телесейсмические импульсы ВЧТ) и сигналы от слабых глубокофокусных лунотрясений. Эти события различаются по типу сейсмограммы и положению очагов. Очаги тепловых лунотрясений находятся на расстоянии всего нескольких километров от сейсмической станции. Время их возникновения коррелирует с лунными сутками, а сами они обусловлены растрескиванием наружной кромки Луны под влиянием температурных напряжений, возникающих из-за смены дня и ночи. Очаги ВЧТ-импульсов расположены в лунной атмосфере на глубине менее 100 км. Снятое напряжение при этих толчках составляет —100 бар, т. е. довольно велико. Такие напряжения характерны для внутриплитных землетрясений.

Эти данные являются прямыми указаниями на наличие больших касательных напряжений в лунной литосфере. Не исключено, что очаг этих лунотрясений тяготеют к границам круговые морей — границам масконов, где разумно ожидать больших градиентов касательных напряжений в лунной литосфере. Время возникновения ВЧТ-лунотрясений не коррелирует с характерными лунными периодами, и они не повторяются в одном и том же месте. Их максимальная магнитуда, оцененная по объемным S'-волнам, составляет 4,5. В среднем в год наблюдается пять ВЧТ-событий полным выделением сейсмической энергии ~ 1016 эрг/год.

Отсутствие таких событий на обратной стороне Луны, видимо, объясняется невозможностью их регистрации. Очаги глубокофокусных лунотрясений расположены на глубинах от 700 до 1100 км, т. е. в пограничной зоне между литосферой и астеносферой, где по расчетам должны концентрироваться напряжения из-за неравновесности фигуры Луны. Глубокофокусные лунотрясения исключительно слабы — их магнитуды но объемным волнам не превосходят трех, и они в совокупности выделяют меньше сейсмической энергии, чем ВЧТ-события. Очаги глубокофокусных луногрясении сгруппированы в несколько поясов, а выделение сейсмической энергии происходит с периодами, равными периодам лунных приливов (13,6,27,2; 27,5; 206 суток и 6 лет). Таким образом, лунные приливы служат или спусковым механизмом для этих лунотрясений, или же источником их энергии.

Рис. 3 – Результаты исследований скоростной структуры ( и v1поры и верха мантии в юго-восточной части Океана Бурь. Возможно, имеется высокоскоростной слой (9 км/с) непосредственно под корой. На врезке показана скоростная структура наружного слоя в месте посадки Л-17.

Полное выделение сейсмической энергии за год для Луны примерно на 9 порядков меньше, чем для Земли. Такая слабая сейсмичность объясняется тем, что тектоническая активность на Луне закончилась несколько миллиардов лет тому назад.

Как упоминалось выше, активные сейсмические эксперименты позволили выявить скоростной разрез наружного покрова Луны в местах посадки А-14, 16 и 17. На врезке к рис. 3 показан скоростной разрез верхних слоев Луны в континентальном районе Тавр — Литтров (у юго-восточной границы Моря Ясности). Этот разрез построен группой американских сейсмологов под руководством Р. Ковача. Лунная поверхность выстлана слабосвязанным раздробленным обломочным материалом, названным лунным реголитом. Мощность реголитового покрова колеблется в пределах 4—12 м. Скорости сейсмических волн в реголите равны vр ≈100 м/с, vа ≈60 м/с. Мощность второго слоя широко варьирует от десятков до сотни метров, vр ≈250 —300 м/с. Вещество этого слоя, вероятно, состоит из выбросов при образовании больших кратеров. В месте посадки А-17 этот слой имеет мощность ~30 м и vр ~ 300 м/с. Далее следуют слои со скоростями vр ~ 500 и 960 м/с и мощностями 400 м и 1 км соответственно. Эти слои состоят из трещиноватого базальтового материала с низкоскоростными включениями. Затем vр скачком возрастает до значений 3 – 4 км/с, что по предположению соответствует переходу к габбро-анортозитовому составу.

Литература

1. http://galspace.spb.ru/index28.html

2. Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. — М.: Наука, 1983.— 416 с.

3. http://otherreferats.allbest.ru/air/00193345_0.html

4. http://www.bestreferat.ru/referat-33136.html

5. http://skybox.org.ua/luna

6. Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. Учебник для вузов. – М.: Наука, 1976.

7. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии: Учебное пособие / Под ред. Иванова. – М.: Едиториал УРСС, 2001.

Просмотров работы: 1821