Еще в 1960-х и 1970-х годах астронавты Аполлона установили коллекцию лунных сейсмометров для обнаружения возможных лунных землетрясений. Эти инструменты отслеживали лунную активность в течение восьми лет и дали ученым-планетологам возможность косвенно заглянуть внутрь Луны. Сейчас исследователи разрабатывают новые методы и технологии обнаружения лунных землетрясений. Если все пойдет хорошо, астронавты «Артемиды» развернут их, когда вернутся на Луну.
Новый подход, названный распределенным акустическим зондированием (DAS), является детищем профессора геофизики Калифорнийского технологического института Чжунвэнь Чжаня. Он посылает лазерные лучи через оптоволоконный кабель, проложенный чуть ниже поверхности. Инструменты на обоих концах измеряют, как меняется лазерный свет во время толчков, вызванных тряской. По сути, план Жана превращает кабель в последовательность сотен отдельных сейсмометров. Это дает точную информацию о силе и времени толчков. Удивительно, но 100-километровый оптоволоконный кабель будет эквивалентен 10 000 сейсмометрам. Это сокращает количество отдельных сейсмических приборов, которые астронавтам придется использовать. Вероятно, это также дает некоторую экономию средств.
DAS и Аполлон на Луне
Сравните данные сейсмометра миссии «Аполлон» с помощью DAS, и очень быстро станет очевидно, что DAS представляет собой огромное улучшение. Во времена Аполлона небольшая коллекция инструментов, оставленная на Луне, давала «зашумленную» информацию. По сути, когда сейсмические волны проходили через разные части лунной структуры, они рассеивались. Это было особенно верно, когда они столкнулись с пыльным поверхностным слоем. «Шум» в основном искажал сигналы.
Что делает DAS для обнаружения землетрясений на Луне
Система DAS размещает лазерные излучатели и коллекторы данных на каждом конце оптоволоконного кабеля. Это позволяет использовать несколько широко разнесенных установок, которые измеряют свет при его прохождении по сети. Кабель состоит из стеклянных жил, каждая из которых содержит крошечные дефекты. Звучит плохо, но каждое несовершенство создает полезную «путевую точку», которая отражает немного света обратно к источнику. Эта информация записывается как часть более крупного набора данных. Установка такой системы телекоммуникационных кабелей на большой территории обеспечивает миллионы путевых точек, которые ученые могут использовать для измерения сейсмических движений на Земле.
В недавнем исследовании, проведенном постдокторантом Калифорнийского технологического института Цюши Чжаем, этот тип волоконно-оптической кабельной системы с поддержкой DAS был развернут в Антарктиде. Условия имитируют некоторые экологические проблемы при посещении Луны: очень холодно, очень сухо и далеко от человеческой деятельности. Датчики измеряли небольшие движения, вызванные растрескиванием и перемещением льда. Эти типы сигналов являются идеальными аналогами лунных землетрясений.
Измерение лунного землетрясения с помощью DAS
Поскольку DAS хорошо работает, измеряя крошечные толчки, вызванные льдом, кажется, что это идеальный «следующий шаг» в лунной сейсмологии. На Луне оптоволоконный кабель будет проложен (так же, как кабели на Земле) на несколько сантиметров ниже уровня реголита. Он будет сидеть и ждать следующего землетрясения, которое, вероятно, не займет много времени, поскольку Луна, похоже, часто дрожит. Когда кто-то ударит, его сейсмические волны пройдут сквозь землю от источника. Они будут шевелить кабель. Это повлияет на путь прохождения света внутри. Воздействие света на тысячи дефектов внутри кабеля предоставит лунным геологам высокоточные данные о лунных землетрясениях. Это включает в себя их происхождение, время путешествия и другие аспекты волны, которые помогут им больше понять лунную структуру, через которую они путешествуют.
Распределенный характер сейсмической сети будет иметь большое преимущество перед отдельными сейсмометрами типа «Аполлон», использовавшимися в прошлом. По словам Чжая, есть и другие причины использовать DAS. «Еще одним преимуществом использования DAS на Луне является то, что оптоволоконный кабель физически достаточно устойчив к суровым лунным условиям: высокой радиации, экстремальным температурам и тяжелой пыли», — сказал Чжай.
Структура Луны и DAS
Чжай — первый автор статьи, описывающей систему DAS, которая должна позволить ученым обнаруживать почти 100 процентов лунных толчков. В статье дается представление о преимуществах, которые предлагает DAS. В частности, такой массив, растянутый на больших участках Луны, должен предоставить гораздо более качественные данные даже о самых маленьких толчках, сотрясающих поверхность.
Поскольку Луна не является тектонически активной, ее землетрясения происходят не по тем же причинам, что и на Земле. Некоторые из них происходят в период заката/восхода солнца, когда изменения температуры влияют на поверхность. Другие происходят из-за притяжения Земли к Луне, а третьи происходят потому, что Луна все еще остывает и сжимается. В статье Чжая предполагается, что DAS может обнаруживать около 15 лунных землетрясений в день и, возможно, поможет лучше охарактеризовать тепловые лунные землетрясения, которые происходят на восходе/закате Солнца, а также более глубокие землетрясения, которые происходят в перигее и апогее ее орбиты, а также те, которые присущи сжатию Луны. Кроме того, удары по Луне также вызывают землетрясения. Информация обо всех этих событиях должна дать ученым-планетологам большую поддержку в понимании внутренней структуры Луны.
Развертывание DAS и другие научные эксперименты станут частью наземных операций миссии «Артемида». Это будет частью одного из предлагаемых семимесячных пребываний команд астронавтов. Хотя конкретной запланированной даты развертывания сейсмометров нет, скорее всего, это произойдет не раньше середины 2030-х годов. Это после запланированных миссий по строительству убежищ, развертыванию электростанций и других мероприятий по созданию лунных баз.
Для дополнительной информации
Новый тип сейсмического датчика для обнаружения лунотрясений
Оценка возможности распределенного акустического зондирования (DAS) для обнаружения лунных землетрясений
Лунная сейсмология: обзор данных и приборов
