Строение Луны - Игорь Галкин

Лунные сейсмограммы совершенно непохожи на земные (рис. 2): амплитуда зарегистрированных сейсмических колебаний нарастает постепенно и спадает еще более медленно («сейсмозвон» на Луне длится часами). Записи на вертикальном и горизонтальном сейсмометрах непохожи друг на друга, и не существует четких вступлений волн в последующей части записи — для их выделения приходится прибегать к различным ухищрениям: использовать узкополосные частотные и поляризационные фильтры и т. д.

Рис. 2. Форма записи тектонических, приливных лунотрясений и ударов метеоритов

Для этих вначале заинтриговавших особенностей лунных сейсмограмм было получено объяснение. Дело в том, что верхний слой Луны очень неоднороден и разбит трещинами вследствие метеоритной бомбардировки. Сейсмические сигналы, рассеиваясь на этих неоднородностях, растягиваются «во времени» и разрушаются. При этом из-за отсутствия на Луне воздуха и воды тепловые потери упругой энергии невелики, и, наоборот, так называемая сейсмическая добротность (величина, обратная потере энергии на одном цикле сейсмических колебаний) большая — поэтому-то колебания не затухают очень долго (рис. 3).

Особенности распространения сейсмических волн в такой неоднородной среде довольно точно описываются уравнениями диффузионной теории (кстати говоря, как и в случае броуновского движения молекул). С помощью этих уравнений получены следующие оценки свойств лунного рассеивающего слоя: его эффективнаямощность равна 15–25 км, размеры неоднородностей— 2–5 км (причем степень неоднородности уменьшается с глубиной).

Приливные лунотрясения. Среди естественных сейсмических событий на Луне выделяют приливные, тепловые и тектонические лунотрясения, а также падения метеоритов. Сейсмологами разработаны критерии распознавания природы события по виду его записи, подобные тем, которые используются на Земле для идентификации землетрясений и ядерных взрывов.

Тепловые сотрясения почвы вызываются перепадами температур поверхности Луны, достигаемых в течение лунного дня и лунной ночи (до 300 °C). Они сопровождаются растрескиванием огород и оползанием склонов кратеров, что приводит к медленному выравниванию лунного рельефа (за 5 млн. лет склон 200-метрового кратера становится более пологим на 1°). Однако абсолютное большинство всех сейсмических явлений на Луне (около 90 %) составляют относительно редкие, регулярные, весьма слабые приливные лунотрясения с очень глубокими очагами.

В настоящее время проанализированы сейсмические данные, полученные с помощью лунных сейсмометров за период с ноября 1969 г. по июль 1972 г. За это время зарегистрировано около 5400 сейсмограмм приливных лунотрясений. В среднем около 600 таких лунотрясений ежегодно фиксируется в Океане Бурь на станции «Аполлона-12», 650 — в Апеннинах («Аполлон-15»), 1500 — в районе Фра-Мауро («Аполлон-14») и около 3000 — в районе кратера Декарт («Аполлон-16»). Различие в количестве подобных сейсмических явлений, зарегистрированных станциями, объясняется грунтовыми условиями: лунотрясений больше там, где мощнее верхний слой грунта и подстилающих его обломочных пород — брекчий. Всеми станциями регистрируется в среднем около 700 приливных лунотрясений в год, но только 25 % записей из них пригодны для анализа.

Все приливные лунотрясения очень слабы. Энергия, выделяемая в их очаге, составляет 107 — 109 эрг, что эквивалентно световой энергии люстр в Большом театре. Условная величина интенсивности события, принятая в сейсмологии — магнитуда, — для приливных лунотрясений равна 0,5–1,3, тогда как у самых сильных землетрясений она достигала 8, 5. На Земле сотрясения почвы, столь же слабые, как приливные лунотрясения, не удается различить на фоне более интенсивных микросейсм. Если просуммировать энергию по всем известным очагам приливных лунотрясений и считать, что на обратной стороне сейсмичность не выше, чем в районе Декарта, то получится общий расход сейсмической энергии приливных лунотрясений в год, равный 1010 — 1012 эрг. Это более чем в триллионы раз меньше энергии землетрясений.

Рис. 3. Характер убывания амплитуд на сейсмограммах:

1 — земные сейсмограммы на скальном грунте; 2 — земные — на слое осадков; 3 — теоретическая кривая для диффузионного рассеяния; 4 — экспериментальная кривая для Луны

Кривые зависимости числа лунотрясений от амплитуды колебания грунта в сейсмической волне, эквивалентные «графикам повторяемости» землетрясений, показывают силу самого большого сотрясения, а также количество самых слабых толчков. Их— наклон для лунотрясений в 1,5–3,7 раза круче, чем у тектонических землетрясений. Это значит, что Луна устроена так, что в ней происходит много слабых сейсмических толчков и невозможны сильные. Подобные зависимости на Земле получаются для мелкоочаговых вулканических землетрясений, а также для подводных землетрясений в регионах срединных океанических хребтов.

Благодаря тому что сейсмические станции на Луне расположены в вершинах треугольника со сторонами около 1000 км, удается определять как положение эпицентра, так и глубину очага лунотрясения (эпицентром называется проекция очага на поверхность). Однако из-за малого количества станций точность таких определений невелика (50 — 100 км). Для всех очагов форма записи остается постоянной за все время наблюдения. По этому свойству выделена 41 очаговая зона, для 27 из них определены координаты эпицентров, а для 18 — глубины очагов.

Эпицентры группируются в два узких протяженных сейсмических пояса. Первый располагается примерно по меридиану (по 20–30° з. д.), начинается у 30° с. ш. и растягивается на 2000 км до 40° ю. ш. (расширяясь от 100 км на севере до 200–300 км на юге). Второй пояс шириной более 300 км тянется на 1800 км от центра видимой стороны Луны на восток-северо-восток. Близ его продолжения находится единственный эпицентр, зафиксированный на обратной стороне Луны.

Намечается некоторая связь положения эпицентров с особенностями лунного рельефа. Эпицентры первого сейсмического пояса, включающего половину очагов и 63 % общего числа лунотрясений, проходят по западному обрамлению Морей Дождей, Познанного и Облаков (и даже слегка отклоняются к востоку по контуру Моря Облаков). При этом 50 % числа лунотрясений происходит на 700-километровом участке в области сочленения Океана Бурь с Морями Познанным и Облаков.

Больше половины эпицентров второго сейсмического пояса также попадают на окраины лунных морей: два находятся на юге Моря Ясности, два — на севере и востоке Моря Кризисов, три — в горных районах, разделяющих Моря Ясности и Спокойствия (рис. 4).

Рис. 4. Карта эпицентров лунотрясений (кружки — приливные, крестики — тектонические, малый кружок — число лунотрясений менее 5 % от общего, средний — менее 10 %, большой — более 20 %, полый кружок — глубина не определена, залитый на четверть — глубина 500–600 км, залитый наполовину — менее 600–700 км, залитый полностью — 700–900 км, заштрихованный кружок — очаг на обратной стороне Луны). Треугольниками с соответствующими номерами показаны сейсмические станции «Аполлонов»

Все приливные лунотрясения происходят глубоко в недрах Луны. Об этом свидетельствуют четкие фазы поперечных волн, большая амплитуда первых вступлений, меньшее время нарастания амплитуд по сравнению с сейсмическими явлениями ударного происхождения, относительно простая форма сигнала в интервале между вступлениями продольных и поперечных волн. Очаги располагаются на глубинах 400–900 км, однако >85 % из них приходится на более узкий интервал — 600–800 км. Стабильность формы записей лунотрясений из одного очага (для одной станции) означает, что размеры очаговой зоны не более 10–20 км. Зона эпицентров приливных лунотрясений имеет сложный рельеф. Намечается подъем очагов в северной, южной и центральной частях первого сейсмического пояса. Во втором поясе расположены самые глубокие очаги, причем западная половина имеет большие глубины. В целом максимальные глубины очагов приходятся на приэкваториальный район (в том числе очаг с обратной стороны Луны), а минимальные соответствуют центральной части юго-западной четверти видимой стороны Луны[3].

В последовательности приливных лунотрясеиий наблюдается строгий порядок — увеличение числа лунотрясений через 13, 27 и 206 земных суток. Предполагается также еще более продолжительная (6-годичная) изменчивость количества приливных лунотрясений, которая успела проявиться лишь в самой длинной серии наблюдений — на станции «Аполлона-12». Максимальное число лунотрясений произошло в первой половине 1970 г., затем наблюдался плавный спад активности, в 1972 г. Луна была наиболее пассивной. Следующий подъем сейсмичности ожидался в 1976 г. (рис. 5).