Устаткування для проведення вимірювань на поверхні Місяця, що використовувалося в місії «Аполлон-16» (1972). Застосування сейсмографів (реєструючих коливання грунту) для дослідження планет запропоновано в 60-і роки ХХ століття.

Місячні сейсмограмою куди довше земних. Якщо перші обчислюються годинами, то другі не перевищують в середньому 30 хвилин. Приклад місячної сейсмограмою.

Приклади поширення сейсмічних хвиль в надрах землі. Поздовжня хвиля стиснення називається P-хвилею. При її поширенні пружні гірські породи зазнають послідовно стиснення і розтягування.

Власні коливання планети. Коливання планети можна розглядати як коливання пружного кулі. Існують два типи таких коливань: сфероїдальні коливання S і крутильні (або тороїдальні) коливання T.

У більшості сейсмометрів використовується інерція вільно підвішеною центрально розташованої маси на пружній підвісці, наприклад пружині або маятнику. Така підвіска допускає переміщення маятника по відношенню до основи, закріпленому на грунті.

Сейсмометр OPTIMISM, створений для місії «Марс-96». Розміри 9 × 9 × 9 см, маса 405 г, можливість вимірювання до 10 <sup> -8 </ sup> м з <sup> -2 </ sup> при 1 Гц. Розроблено групою вчених паризького Інституту фізики Землі.

Дрібнофокусними землетрусу породжують хвилі стиснення, які поширюються і в атмосфері, при цьому їх амплітуда зростає на кілька порядків, коли вони досягають іоносферних висот.

<

>

Найглибші свердловини, пробурені на Землі, дозволяють зазирнути лише в тонкий приповерхневих шар кори. Що ж тоді говорити про інших планетах, надра яких поки взагалі недоступні для прямих досліджень. Знання про внутрішню будову планет ми отримуємо завдяки сейсмології - науки, що вивчає коливання планети і пов'язані з ними явища.

Причини виникнення пружних хвиль всередині і на поверхні планети можуть бути різними - як природними (удари метеоритів, геологічні процеси), так і штучними (вибухи). Для реєстрації таких хвиль на поверхні планети розміщують сейсмічні станції. Якщо вимірювати час пробігу хвиль до різних станцій і число таких спостережень досить, можна відновити шляхи поширення цих хвиль. На основі сейсмічної інформації визначають, як усередині планети змінюються тиск, щільність і інші фізичні параметри, що дозволяють судити про будову надр.

Вперше сейсмічне подія, що трапилася на значній відстані від точки спостереження, було зареєстровано трохи більше 120 років тому. Це сталося 17 квітня 1889 року в астрофізичної лабораторії в Потсдамі (Німеччина), коли прилад, призначений для точного вимірювання сили тяжіння, зареєстрував сейсмічні коливання, викликані землетрусом в Японії. Відстань від Японії до Німеччини хвиля пройшла за кілька годин. У 1947 році на основі накопичених даних про час прибуття об'ємних сейсмічних хвиль була створена сейсмічна модель Землі. Власні коливання Землі вперше зареєстровані після чилійського землетрусу 1960 року. Їх реєстрація відкрила шлях до створення глобальної моделі внутрішньої будови планети. У 1977-1984 роках були розроблені тривимірні (3D) томографічні моделі земної мантії.

«Планетні» хвилі і коливання

Об'ємні і поверхневі хвилі. Якщо вдарити в дзвін, то весь простір навколо наповниться звуком. По суті, те ж саме відбувається після планетотрясенія або штучного вибуху: надра планети заповнюються «сейсмічним звуком» - сейсмічними хвилями, які поширюються від однієї точки зовнішньої поверхні планети до іншої. Планети мають шарувату внутрішню будову, в якому можна виділити кору, мантію і ядро. На кордонах розділу всередині планети (наприклад, на кордоні кори і мантії - кордоні Мохоровичича, мантії і ядра) об'ємні сейсмічні хвилі відчувають заломлення і віддзеркалення. Багаторазово відбиваючись, вони поступово згасають. Аналізуючи їх, можна виявити, знаходиться планетне речовина в рідкому або твердому стані.

На додаток до об'ємним сейсмічних хвилях збуджуються поверхневі хвилі - хвилі Лява і Релея, які поширюються уздовж поверхні. У цих хвилях велика частина рухів сконцентрована в самому зовнішньому поверхневому шарі планети, і їх амплітуда сильно зменшується з глибиною.

Власні коливання. Будь-яке пружне тіло при впливі на нього буде коливатися з певними частотами, залежними тільки від пружних властивостей самого тіла. Планета - теж пружне тіло, в якому в результаті сильного планетотрясенія можуть початися природні або власні коливання, причому цей «дзвін» не припиняється іноді протягом багатьох годин і навіть днів. Аналогією може служити струнний музичний інструмент, який «випромінює» музичні гармоніки, що залежать від довжини, щільності і натягу звучної струни.

Власні коливання становлять особливий інтерес для дослідження внутрішньої будови планети, так як для їх аналізу не потрібно знати, де перебуває джерела і час події, а значить, досить мати запис лише з однієї станції, що дуже цінно для позаземних досліджень.

Сейсмічні події на Місяці

На сьогоднішній день Місяць - єдине космічне тіло, крім Землі, для якого отримані сейсмічні дані. 21 липня 1969 на Місяці була встановлена ​​перша автоматична сейсмічна станція «Аполлон-11» (США, НАСА). Вона пропрацювала до 27 серпня того ж року, після чого через несправність управління вийшла з ладу. Безперервні сейсмічні спостереження на Місяці почалися 19 листопада 1969, коли примісячилася станція «Аполлон-12». Потім протягом двох з половиною років на видимій стороні Місяця розмістили ще три сейсмічні станції «Аполлон-14, -15 і -16». Таким чином, була створена мережа сейсмічних станцій для «прослуховування» Місяця. Запис сейсмічних даних припинилася у вересні 1977 року - до цього часу вчені отримали досить великий обсяг інформації, і продовжувати експеримент стало нерозумно через величезних витрат.

Першим вражаючим відкриттям було те, що на Місяці дійсно бувають лунотрясения. Станції зареєстрували понад дванадцять тисяч сейсмічних подій (кілька подій в день). Серед них - дрібно- і глибокофокусні * лунотрясения і удари метеоритів.

За даними мережі «Аполлон» планетології побудували сейсмічну модель Місяця. Виявилося, що наш природний супутник має мантію, ядро ​​і потужну кору товщиною 40-60 км на видимій стороні (недавні оцінки товщини кори - 30-45 км) і трохи більшу - на зворотній.

Місячні сейсмограмою відрізнялися від земних більшою тривалістю - до декількох годин, що пов'язано з сильною неоднорідністю зовнішнього шару кори товщиною 15-20 км. Хвилі в ньому біжать, розсіюючись і багато разів відбиваючись, що ускладнює інтерпретацію приходу об'ємних сейсмічних хвиль.

За земними мірками найбільші лунотрясения вважаються слабкими, проте Місяць - ідеальний об'єкт для сейсмічних досліджень, оскільки на ній немає атмосфери, океанів і промисловості, а відповідно і пов'язаних з ними сейсмічних перешкод.

Судячи з наявних даних про сейсмічності Місяця, в майбутньому можна розраховувати на реєстрацію її власних коливань, а значить, зондувати зовнішні оболонки Місяця до глибини 1000 км.

Марс - планета інкогніто

Марсіанська сейсмологія, прийнявши естафету у місячній, почалася 4 вересня 1976 року. Планувалося, що на Марсі будуть працювати одночасно дві сейсмічні станції, однак перший сейсмометр не включили, працював тільки сейсмометр «Вікінг-2». З одиничним сейсмографом цілком реально було спробувати виміряти мікросейсми ** , Зареєструвати будь-яке марсотрясения або падіння метеорита. Але протягом 19 місяців майже безперервної роботи сейсмометра жодного подібного події не зареєстрували. Однак рівень сейсмічності Марса, певний по розломах, видимим на його поверхні, передбачає, що Червона планета сейсмічно більш активна, ніж Місяць. Відсутність реєстрації сейсмоактивності «Вікінгом-2» можна пояснити чутливістю сейсмометра до вітру. Кліматичні умови на Марсі суворі, температура поверхні коливається від -125о до +30 оС, причому добові перепади температур перевищують 50о. Переважає вітряна погода зі швидкістю вітру близько 10 м / с, можуть мати місце шторму з поривами - до 100 м / с (це більше швидкості вітру в Антарктиді), також бувають пилові бурі. Сейсмометр «Вікінг-2», розташований на платформі посадкового пристрою на пружних ніжках, реєстрував вібрацію платформи через вітер і сейсмічні шуми, викликані вітровими течіями в атмосфері Марса.

Наступна місія - «Марс-96» - мала дві невеликі автономні станції і два пенетратора * , Але зазнала невдачі незабаром після старту.

Таким чином, будова Червоної планети недостатньо вивчено в порівнянні з Землею і в меншій мірі з Місяцем. Проте перший крок зроблено, і за допомогою Вікінга отримана корисна інформація для майбутніх сейсмічних експериментів. У наступних місіях датчики сейсмометра передбачається встановити безпосередньо на поверхні планети. Захисний пристрій для сейсмометра має зменшити вітрові шуми і перепади температур. Одночасно можуть бути використані записи сейсмічних шумів, що викликаються вітровими течіями в атмосфері Марса, для визначення підповерхневої структури безпосередньо під станцією по кореляції між двома сигналами. Передбачається, що вітрові течії в атмосфері Марса (зокрема, пилові смерчі) можуть впливати на поверхню планети, збуджуючи в ній поверхневі хвилі. Метод кореляції застосовується в сейсмології Землі для вивчення структури кори до глибин 20 км.

Для внесення поправок в моделі внутрішньої будови Марса до глибин 2000 км досить встановити один широкосмуговий сейсмометр, який дозволить зареєструвати частоти власних коливань планети при досить сильному марсотрясения. У мантії Марса можливі зони частково розплавленого речовини - астеносфера. І сейсмічні хвилі здатні її виявити. В ідеалі для дослідження надр Марса потрібна мережа з невеликого числа сейсмічних станцій, рознесених на сотні кілометрів. Оскільки на Марсі немає ні океану, ні людської діяльності, очікується, що сейсмічний шум на ньому нижче, ніж на Землі.

активна Венера

За теоретичними оцінками, сейсмічність Венери стоїть у ряді між Марсом і Землею. Молодий вік поверхні Венери і складний гористий рельєф свідчать про її тектонічної активності. Гори на Венері мають, швидше за все, вулканічне походження. Не виключено, що вулканічна діяльність на Венері відбувається і в даний час. За оцінками НАСА, на Венері можуть мати місце близько 100 сейсмічних подій в рік з магнітудою вище 5, події з магнітудою 6 відбуваються в п'ять разів рідше.

Технічні умови для сейсмічних експериментів на поверхні Венери дуже складні. Через високу температуру (≈500oC) і тиску на поверхні (≈90 бар) жоден з інструментів не пропрацює на ній більше двох годин. Альтернативою для Венери може стати реєстрація сигналів, пов'язаних з сейсмічною активністю, в атмосфері.

Відомо, що сильні сейсмічні події на Землі і процеси в атмосфері взаємопов'язані. Спостереження, які велися з початку 1960-х років, показали, що після сильних землетрусів спостерігається обурення іоносфери. Акустичні хвилі в атмосфері, що генеруються сейсмічними поверхневими хвилями, спостерігалися як від віддалених дуже сильних землетрусів (з магнітудою вище 7), так і поблизу невеликих сейсмічних подій. Такі явища і зараз реєструються при землетрусах силою 7-7,5 за допомогою GPS (використовується для визначення електронної щільності в іоносфері) або доплерівськими зондами, які визначають вертикальну швидкість руху іоносферних шарів на висоті відображення зондуючого електромагнітного сигналу.

Хоча на Венері сейсмічні події не настільки сильні, як на Землі, це компенсується більш сильним взаємодією поверхні Венери з більш могутньою атмосферою, яке призводить до значного посилення в ній сигналу. Хороші результати в дистанційній сейсмології Венери може принести доплеровській зонд з відповідними робочими характеристиками, що слід прийняти до розгляду при створенні в майбутньому орбітальної станції на Венері (оптимальна висота орбіти такої станції 150 км). Для виявлення повної сейсмічної картини експеримент повинен включати орбітальну станцію з радаром і два-три маленьких субспутніка для прийому сигналу.

Планети-гіганти

Внутрішня структура планет-гігантів (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун), так само як і планет земної групи, недостатньо вивчена. Хоча всередині планет-гігантів можуть існувати тверді області, вони не доступні прямому спостереженню. Замість них ми бачимо протягом атмосфери, яка не має чіткої межі з внутрішніми шарами планети.

У зв'язку з інтенсивною енергетикою планети (потік тепла з надр приблизно вдвічі перевищує його кількість, що отримується від Сонця) передбачається, що в Юпітері можуть збуджуватися власні коливання. Реєстрація власних коливань дозволила б отримати нову інформацію про надра планети, подібно до тієї, яку дала геліосейсмологія для розуміння надр Сонця.

Попередні теоретичні моделі внутрішньої будови Юпітера отримані на основі даних про його гравітаційному полі. Спираючись на ці моделі, розрахували теоретичний спектр коливань планети. З порівняння цього спектра з даними спостережень можна визначити розмір ядра Юпітера і скачки щільності в його надрах.

Пошук власних коливань Юпітера почався в кінці 1980-х років за допомогою інфрачервоних і спектроскопічних спостережень. Сейсмологічні спостереження були також проведені після падіння А- і Н-фрагментів комети Шумейкер-Леві 9 на Юпітер в 1995 році. Але сейсмічний сигнал не була зареєстрована через малу виділилася сейсмічної енергії при падінні цих тіл.

Нещодавно з'явилися повідомлення, що довгохвильові коливання (основні моди власних коливань) Юпітера виявлені наземними спостереженнями і ідентифіковані до 20 тонів.

***

Проекти «Марс-GEMS», «Mars-Net», «Венера-Д», «Луна-Глоб», що розробляються зараз в міжнародній кооперації НАСА, ЄКА, Роскосмосом і Японським агентством аерокосмічних досліджень (JAXA), так чи інакше включають сейсмічні дослідження місяця, Марса, Венери. Оскільки всі планети Сонячної системи утворилися в єдиному процесі з єдиного протопланетного хмари, вчені з нетерпінням чекають результатів нових сейсмічних спостережень на планетах, які допоможуть нам краще зрозуміти Землю.

Коментарі до статті

* Залежно від глибини епіцентру розрізняють дрібнофокусними (епіцентр знаходиться на невеликій глибині) і глибокофокусні (епіцентр лежить глибоко). Так, мелкофокусних лунотрясений розташовуються на глибині близько 200 км, а землетрусу - до 300 км (відзначимо, що найбільш часті землетруси - дрібнофокусними, чий епіцентр розташовується на глибинах менше 70 км).

** Мікросейсм - коливання поверхні планети малої амплітуди, що викликаються проходженням циклонів і іншими атмосферними процесами, на Землі - також океаном і діяльністю людини.

*** Пенетратор - ударний проникаючий зонд, впроваджуються в грунт.