Планети на стрічці сейсмометра

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 62

Планети Сонячної системи, як і Земля, відчувають «планетотрясіння». Це підтвердила вже стала історичною американська місія «Аполлон» на Місяць. Отримані в ході цієї місії сейсмічні дані вчені аналізують досі і спираються на них при підготовці нових планетних досліджень. Але навіщо ми вивчаємо сейсмічну активність планет? І що нам про неї відомо?

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

Приклади поширення сейсмічних хвиль у надрах землі

Поздовжня хвиля стиснення називається P-хвилею. При її поширенні пругу гірські породи відчувають послідовно стиснення і розтягнення. P-хвиля може проходити як по рідких, так і по твердих ділянках планетних надр. Поперечна хвиля зсуву позначається як S-хвиля. Вона поширюється тільки в твердих тілах. Хвиля, що відбилася на поверхні зовнішнього ядра, позначається додатковою буквою с. Так, РсР — це Р-хвиля, що пройшла через мантію і відбитий земним ядром. Літери К і I належать до Р-хвиль, що пройшли через зовнішнє і внутрішнє ядро. Сейсмічні хвилі відображаються і від зовнішньої поверхні. Поздовжні хвилі, породжені Р-хвилею, позначаються РР, породжені РР-хвилею — РРР. Аналогічно SS, SSS тощо. для одного, двох і більше відображень S-хвилі. Літерами SP позначають S-хвилю, що поширюється в мантії і відбиту від земної поверхні як Р-хвиля. Якщо джерело сейсмічної події знаходиться на глибині, хвиля, що йде від фокусу (джерела) до зовнішньої поверхні, позначається рядковими літерами р або s.

Причини виникнення упругих 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 достатньо, можна відновити шляхи поширення цих хвиль. На основі сейсмічної інформації визначають, як всередині планети змінюються тиск, щільність та інші фізичні параметри, що дозволяють судити про будову надр.

Вперше сейсмічна подія, що трапилася на значній відстані від точки спостереження, була зареєстрована трохи більше 120 років тому. Це сталося 17 квітня 1889 року в Астрофізичній лабораторії в Потсдамі (Німеччина), коли прилад, призначений для точного вимірювання сили тяжкості, 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 планетотрясіння або штучного вибуху: надра планети заповнюються «сейсмічним звуком» — сейсмічними хвилями, які поширюються від однієї точки зовнішньої поверхні планети до іншої. Планети мають шаровисту внутрішню будову, в якій 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 відбиття. Багаторазово відбиваючись, вони поступово загасають. Аналізуючи їх, можна виявити, знаходиться планетна речовина в рідкому або твердому стані.

Дрібнофокусні землетруси породжують хвилі стиснення, які поширюються і в атмосфері, при цьому їх амплітуда зростає на кілька порядків, коли вони досягають іоносферних висот. Зокрема, хвилі Релею, що виникають після землетрусу, викликають поверхневі зміщення, які виробляють акустичні хвилі. Ці хвилі посилюються в міру проходження через атмосферу. На діаграмі показано взаємодію між сейсмічними хвилями, акустичними хвилями та іоносферою безпосередньо над осередком сейсмічної події (в ближній зоні) і у віддалі від нього (в дальній зоні). V_s — швидкість звуку в атмосфері, V_r — швидкість поверхневих хвиль. Зображення: «Наука і життя»

На додаток до об’ємних сейсмічних хвиль збуджуються поверхневі хвилі — хвилі Лява і Релея, які поширюються вздовж 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 планетотрусу можуть початися природні або власні коливання, причому цей «дзвін» не припиняється інший раз протягом багатьох годин і навіть днів. Аналогією може служити струнний музичний інструмент, який «випромінює» музичні гармоніки, що залежать від довжини, щільності і натягнення струни, що звучить.

Власні коливання планети

Коливання планети можна розглядати як коливання упругої кулі. Існують два типи таких коливань: сфероїдальні коливання S і крутильні (або тороїдальні) коливання T. Крутильні коливання, на відміну від сфероїдальних, не пов’язані зі зміною обсягу і форми планети, тому вони не змінюють її гравітаційне поле і не реєструються гравіметрами. Сейсмографи записують коливання обох типів. Тип власних коливань визначають, порівнюючи спектри частот, записані сейсмографами і гравіметрами. Для характеристики мод крутильних коливань використовують позначення виду _nT_l, де індекс n відповідає числу нодальних (вузлових, від лат. nodus — вузол) поверхонь всередині планети, а l — числу секторів, обмежених цими поверхнями на поверхні планети. На малюнку представлені найпростіші власні коливання. Основному крутильному коливанню ₀T₂ відповідає тільки одна нодальна поверхня, секуща поверхня планети по екватору, щодо якої Північна і Південна півкуля «закручуються» в протилежних напрямках. Перший радіальний обертон основної моди позначається ₁T₂: як і раніше залишається одна нодальна лінія на поверхні, але, крім того, з’являється одна глибинна (радіальна) поверхня, по різні сторони якої зміщення відбуваються в протилежних напрямках. Планета умовно розділена на чотири області, в кожній з яких рух має різний по відношенню до сусідньої області напрямок. Коливання основної моди ₀S₂ нагадують деформації упругого футбольного м’яча: дві вузлові лінії на поверхні, які для цієї моди збігаються з паралелями Північної і Південної півкуль.

Власні коливання представляють особливий інтерес для дослідження внутрішньої будови планети, так як для їх аналізу не потрібно знати місцезнаходження джерела і час події, а значить, достатньо мати запис лише з однієї станції, що досить 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 року 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 року, коли прилунилася станція «Аполлон-12». Потім протягом двох з половиною років на видимому боці Місяця розмістили ще три сейсмічні станції «Аполлон-14, -15 і -16». Таким чином, була створена мережа сейсмічних станцій для «прослуховування» Місяця. Запис сейсмічних даних припинився у вересні 1977 року — до цього часу вчені отримали досить великий обсяг інформації, і продовжувати експеримент стало нерозумно через величезні витрати.

Обладнання для проведення вимірювань на поверхні Місяця, що використовувалося в місії «Аполлон-16» (1972). Застосування сейсмографів (які реєструють коливання ґрунту) для дослідження планет запропоновано в 60-ті роки ХХ століття. Перший з них був встановлений на апараті Ranger 3 (США) в 1962 році і призначався для дослідження Місяця, але так і не був доставлений на планету через проблеми з ракетоносієм. Сейсмічні дослідження дозволили попередньо розрахувати, що рідке ядро Місяця радіусом 330 ­ 20 км має тверду серцевину радіусом 240 ­ 10 км, що містить велику кількість заліза. Крім того, частина місячної мантії протяжністю близько 480 км на кордоні з ядром знаходиться в частково розплавленому стані. Крім заліза в ядрі Місяця міститься кілька відсотків таких легких елементів, як сірка, що перегукується з новими сейсмічними даними про будову Землі. Фото НАСА.

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

Місячні сейсмограми куди довші земних. Якщо перші обчислюються годинами, то другі не перевищують в середньому 30 хвилин. Приклад місячної сейсмограми. Зображення: «Наука і життя»

За даними мережі «Аполлон» планетологи 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 дещо більшу — на зворотній.

Місячні сейсмограми 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 багаторазово відбиваючись, що ускладнює інтерпретацію приходу об’ємних сейсмічних хвиль.

За земними мірками найбільші лунотрясіння вважаються слабкими, проте Місяць — ідеальний об’єкт для сейсмічних досліджень, оскільки на ньому немає атмосфери, океанів і промисловості, а відповідно і пов’язаних з ними сейсмічних перешкод.

Судячи з наявних даних про сейсмічність 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 біля місячної, почалася 4 вересня 1976 року. Планувалося, що на Марсі працюватимуть одночасно дві сейсмічні станції, проте перший сейсмометр не включився, працював тільки сейсмометр «Вікінг-2». З одиничним сейсмографом цілком реально було спробувати виміряти мікросейми ^* *, зареєструвати який-небудь марсотрус або падіння метеорита. Але протягом 19 місяців майже безперервної роботи сейсмометра жодної подібної події не зареєстрували. Однак рівень сейсмічності Марса, визначений за розломами, видимими 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 -125 ° до + 30 ° С, причому добові перепади температур перевищують 50 °. 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, що викликаються вітровими течіями в атмосфері Марса.

Сейсмометр OPTIMISM, створений для місії «Марс-96». Розміри 9х9х9 см, маса 405 г, можливість вимірювання до 10^-8 м с^-2 при 1 Гц. Розроблений групою вчених паризького Інституту фізики Землі. Зображення: «Наука і життя»

Наступна місія — «Марс-96» — мала дві невеликі автономні станції і два пенетратори ^* * *, але зазнала невдачі незабаром після старту.

Таким чином, будова Червоної планети погано вивчена порівняно з Землею і меншою мірою з Місяцем. Проте перший крок зроблено, і за допомогою Вікінга отримано корисну інформацію 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 підповерхнісної 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 у моделі внутрішньої будови Марса до глибин 2000 км достатньо встановити один широкосмуговий сейсмометр, який дозволить зареєструвати частоти власних коливань планети при досить сильному марсотрусі. У мантії Марса можливі зони частково розплавленої 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 в ряду між Марсом і Землею. Молодий вік поверхні Венери і складний гористий рельєф свідчать про її тектонічну активність. 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 на рік з магнітудою вище 5, події з магнітудою 6 відбуваються в п’ять разів рідше.

У більшості сейсмометрів використовується інерція вільно підвішеної центрально розташованої маси на упругій підвісці, наприклад пружині або маятнику. Така підвіска допускає переміщення маятника по відношенню до основи, закріпленої на ґрунті. Коли основа стрясається сейсмічними хвилями, інерція маси змушує її відставати від руху основи. Зображення: «Наука і життя»

Технічні умови для сейсмічних експериментів на поверхні Венери дуже складні. Через високу температуру (^ 500 ° C) і тиск на поверхні (^ 90 бар) жоден з інструментів не пропрацює на ній більше двох годин. Альтернативою для Венери може стати реєстрація сигналів, пов’язаних із 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 відбиття зондуючого електромагнітного сигналу.

Хоча на Венері сейсмічні події не настільки сильні, як на Землі, це компенсується більш сильною взаємодією поверхні Венери з більш потужною атмосферою, яка призводить до значного посилення в ній сигналу. Хороші результати в дистанційній сейсмології Венери може принести доплерівський 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 субспутники 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 протяження атмосфери, що не має різкого кордону з внутрішніми шарами планети.

У зв’язку з інтенсивною енергетикою планети (потік тепла з надр приблизно вдвічі перевищує його кількість, одержувана 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 гравітаційне поле. Спираючись на ці моделі, розрахували теоретичний спектр коливань планети. З порівняння цього спектра з даними спостережень можна визначити розмір ядра Юпітера і стрибки щільності в його надрах.

Пошук власних коливань Юпітера почався наприкінці 1980-х років за допомогою інфрачервоних і спектроскопічних спостережень. Сейсмологічні спостереження були також проведені після падіння А- і Н-фрагментів комети Шумейкера — Леві 9 на Юпітер в 1995 році. Але сейсмічний сигнал не був зареєстрований через малу виділення 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», «Місяць-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 єдиної протопланетної хмари, вчені з нетерпінням чекають результатів нових сейсмічних спостережень на планетах, які допоможуть нам краще зрозуміти Землю.

^* Залежно від глибини епіцентру розрізняють дрібнофокусні (епіцентр знаходиться на невеликій глибині) і глибокофокусні (епіцентр лежить глибоко). Так, дрібнофокусних лунотрясінь розташовуються на глибині близько 200 км, а землетруси — до 300 км (зазначимо, що найбільш часті землетруси — дрібнофокусні, чий епіцентр розташовується на глибинах менше 70 км).

^* * Мікросейсм — коливання поверхні планети малої амплітуди, що викликаються проходженням циклонів та іншими атмосферними процесами, на Землі — також океаном і діяльністю <sup>людини

.</sup>