Концептуальная лунная волоконная сейсмическая сеть (фоновое изображение лунной поверхности от НАСА). Базовая станция обеспечивает пространство и электроэнергию для запросчика DAS, блока обработки данных и телекоммуникационной системы. Тросы (желтый пояс) могут быть развернуты луноходом. DAS использует рассеянный по Рэлею свет на собственных дефектах волокна (красные точки на увеличенном участке кабеля) для обнаружения продольной деформации. Кредит: Ву и др. (2024), Письма о сейсмологических исследованиях
Все большее число сейсмологов используют оптоволоконные кабели для обнаружения сейсмических волн на Земле, но как эта технология поведет себя на Луне и что она расскажет нам о глубоких слоях нашего ближайшего соседа в космосе?
В «Письмах о сейсмологических исследованиях» Вэньбо Ву из Океанографического института Вудс-Хоул и его коллеги исследуют идею развертывания оптоволоконной сейсмической сети на Луне, обсуждая некоторые проблемы, которые необходимо преодолеть.
Они также проверяют эту гипотетическую сеть, используя искусственные сейсмограммы, созданные на основе данных, собранных сейсмометрами, установленными на поверхности Луны миссиями «Аполлон». Основываясь на своих результатах, Ву и его коллеги говорят, что волоконная сейсмическая сеть сможет идентифицировать тип сейсмических волн, которые предоставят больше информации о глубокой структуре ядра Луны.
Четыре сейсмометра, размещенные на Луне в период с 1969 по 1976 год миссией «Аполлон», зафиксировали тысячи сейсмических событий за семь лет на обратной стороне Луны. Эти события включали мелкие и глубокие лунотрясения, а также падения метеоритов.
Однако сейсмические данные Аполлона привели к появлению некоторых вопросов, оставшихся без ответа: чем объясняется загадочное отсутствие лунных землетрясений, обнаруженных на обратной стороне Луны? И почему сейсмометры Аполлона обнаружили лунные землетрясения, происходящие на глубине от 700 до 1100 километров под поверхностью Земли, на такой глубине, где тепло и давление могли бы привести к пластической деформации, а не к хрупкому разрушению, как при землетрясении?
Исследователи предполагают, что для ответа на эти вопросы потребуется гораздо больше сейсмометров, развернутых в суровых условиях для сбора дополнительных сейсмических событий. Для этой задачи хорошо подходят оптоволоконные сейсмические сети.
Ву и его коллеги предлагают использовать распределенное акустическое зондирование (DAS) для сети новолуния. DAS использует крошечные внутренние дефекты длинного оптического волокна в качестве сейсмических датчиков. Прибор, называемый запросчиком, на одном конце волокна посылает лазерные импульсы по кабелю, которые отражаются от дефектов волокна и возвращаются обратно к прибору. Когда волокно повреждается сейсмической активностью, исследователи могут изучить изменения в отраженных импульсах, чтобы узнать больше о возникающих сейсмических волнах.
«Это очень плотная сейсмическая группа», — сказал Ву. «Один кабель может дать вам тысячи отдельных датчиков».
Одной из самых больших проблем лунной сейсмологии является пористый и трещиноватый слой обломков, называемый реголитом, который покрывает поверхность Луны. Некоторые из первых сейсмических волн, обнаруженных после лунного землетрясения, рассеиваются этим слоем, и рассеяние затеняет приходящие позже волны, которые могли бы предоставить больше информации о глубинах Луны.
Ву и его коллеги демонстрируют, что данные, собранные тысячами датчиков в массиве DAS, можно сравнивать с помощью метода обработки сигналов, называемого сложением массива. Этот метод помогает отделить «глубинные сигналы, скрытые в рассеянных волнах» и другие источники постороннего сейсмического шума, пояснил Ву.
Когда команда применила эту технику на искусственных сейсмограммах, они смогли восстановить фазу сейсмической волны, называемую ScS, которая представляет собой сдвиговую или S-волну, которая движется от очага землетрясения к ядру Луны, а затем отражается на поверхность.
Ву сказал, что важно проводить такого рода эксперименты, прежде чем развертывать на Луне настоящую оптоволоконную решетку. «Перед запуском необходимо провести надежное численное моделирование распространения волн», — сказал он. «Мы делаем домашнее задание, чтобы выяснить, сможем ли мы получить данные и что мы можем с ними делать».
Если исследователи смогут найти способы обеспечить питание и ремонт лунной оптоволоконной сейсмической сети, массив сможет работать годами, отметил Ву. «На Земле, если с электричеством все в порядке, мы сможем поддерживать его работу в течение десятилетий».
В статье исследователи предполагают, что можно будет объединить DAS с другими предлагаемыми лунными программами, такими как размещение радиотелескопа, которому уже потребуются оптоволоконные кабели для подключения к антенне, на обратной стороне Луны.
«Если мы сможем объединить эти проекты вместе, чтобы сэкономить средства, это действительно повысит шансы на то, чтобы это произошло и имело максимальный научный эффект», — сказал Ву.
Информация от: Сейсмологическим обществом Америки.
