Рис. 5. Связь периодичности лунотрясений (нижний рис.) с либрацией Луны (верхний рис.). Горизонтальная шкала — календарь, вертикальная внизу — амплитуды лунотрясений, вверху — широта ближайшей к Земле точки на поверхности Луны
Наблюдаемая периодичность лунотрясений может быть расшифрована, исходя из закономерностей вращения и движения Луны в гравитационных полях Земли и Солнца. Орбита Луны является едва ли одной из самых сложных планетарных орбит. Луна вращается вокруг Земли по эллипсу со средним расстоянием 384 тыс. км и со средним эксцентриситетом орбиты 0,05. Период ее обращения равен 27, 32 земных суток, за это же время совершается полный оборот Луны с запада на восток вокруг оси. Лунный экватор имеет небольшой наклон к эклиптике и к лунной орбите. В системе Земля — Луна действуют приливообразующие силы, и вследствие конечно. вязкости планет имеет место диссипация приливной энергии. Кроме того, гравитация Солнца вызывает периодические вариации лунной орбиты, проявляющиеся в изменении эксцентриситета и расстояния Земля — Луна в перигее. В результате всего этого возникает характерная особенность — физическая либрация Луны, осложняющая ее движение и вращение. Она имеет широтную компоненту с периодом 6 лет и долготную — 206 суток.
Первоначально при изучении приливных лунотрясений казалось, что их толчки приурочены к моментам апогея и перигея Луны на орбите вокруг Земли. По мере накопления данных выяснилось, что картина сложнее: пики сейсмической активности сдвинуты в соответствии с периодами либрации Луны. В то же время семимесячный максимум сейсмической активности привязан к наибольшему эксцентриситету лунной орбиты.
На основании всего сказанного ни один из исследователей сейсмичности Луны сейчас не сомневается во внешней, космической природе приливных лунотрясений — роль «спускового механизма» в них играют силы притяжения Земли и Солнца.
Проблема прогноза планетотрясений, столь сложная и важная на Земле, на Луне решается просто — «расписание» приливных лунотрясений можно составить исходя из законов небесной механики. Так, например, отмечена зависимость момента сейсмического толчка в соответствующем эпицентре от положения на поверхности Луны точки, лежащей на прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны.
Итак, приливные лунотрясения можно предсказать, но настолько ли это важно? Ведь они чрезвычайно слабы и неопасны, и, в частности, будущим конструкторам лунных городов и ракетодромов не потребуется вводить в свои расчеты поправки на сейсмостойкость сооружений. Возможный механизм приливных лунотрясений мы обсудим несколько позже, после изложения результатов геофизических исследований недр Луны.
Тектонические лунотрясения. Сейсмический эксперимент на Луне был ориентирован в основном на регистрацию тектонических лунотрясений, поэтому станции устанавливались в районах контакта крупномасштабных поверхностных структур. Однако за все время наблюдений было зафиксировано лишь 11 толчков, возможно имеющих тектоническую природу. Но несмотря на малое их количество, они поднимают общую сейсмическую энергию лунотрясений на несколько порядков (до 1015 эрг).
Первая характерная особенность подобных событий — высокочастотность их записей (по этому признаку они резко отличаются как от приливных лунотрясений, так и от ударов метеоритов) (см. рис. 2). Вступления продольных и поперечных волн очень четкие, что указывает на малое рассеяние волн вблизи источника. Наклон «кривых повторяемости» (0, 5) много меньше, чем у приливных и тепловых лунотрясений, и ближе к землетрясениям. Энергия тектонических лунотрясений на несколько порядков выше, чем у приливных лунотрясений; их магнитуда достигает 4. Записи тектонических лунотрясений (наряду с ударами крупных метеоритов) использованы для изучения глобальной скоростной структуры Луны.
Все выявленные тектонические лунотрясения оказались вне сети лунных сейсмических станций на расстояниях больше 600 км: 10 из 11 были зафиксированы всеми станциями, для 4 из 11 определены лишь азимут и расстояние, для 7 — координаты (с точностью 5°). Все эпицентры расположены на периферии границы видимой и обратной сторон Луны: 9 — на видимой, 2 — на обратной (без явной связи с поверхностными структурами). Подобно приливным тектонические лунотрясения не обнаружены в юго-восточной четверти видимой стороны Луны. Они не регулярны, их форма записи не повторяется. Глубина очагов определена неточно, по характеру записи одного из сильных тектонических лунотрясений получена нижняя оценка глубины его очага — 300 км, в то же время очаги находятся глубже рассеивающего слоя коры мощностью 25 км.
Сейсмическая разведка верхней части разреза. Во время экспедиций «Аполлонов» были проведены сейсмические исследования структуры недр разного масштаба: сейсморазведка верхней части разреза, зондирование коры и сейсмическое «просвечивание» мантии. Первое детальное исследование скоростей продольных волн в лунном грунте было проведено в районе Фра-Мауро во время экспедиции «Аполлона-14». Три сейсмометра записали постукивание астронавтов по грунту на расстоянии 100 м. Более дальние точки были получены при взлете лунной кабины и с помощью специальных гранат, взорванных после отлета астронавтов по команде с Земли.
Похожий эксперимент был проведен астронавтами «Аполлона-16» в континентальном районе кратера Декарт. Были изучены глубины до 200 м. Наконец, во время экспедиции «Аполлона-17» в районе Тавр-Литтров удалось «осветить» строение верхних слоев до глубины 1,5 км. По записям на сейсмологических станциях падений космических аппаратов были определены скорости распространения поперечных сейсмических волн.
В результате всех исследований установлено, что верхняя часть Луны состоит из отдельных слоев, в которых скорость сейсмических волн скачкообразно увеличивается с глубиной. Верхние два слоя имеют свойства, сходные в различных регионах, удаленных друг от друга и сложенных разными породами. Это объясняется их одинаковым происхождением: разброс обломков при ударах крупных метеоритов и их последующее дробление мелкими. Характеристики лунного грунта (реголита): мощность — 2 — 12 м, скорость продольных волн — 90 — 115 м/с, скорость поперечных волн — 35–37 м/с, отношение скоростей продольных и поперечных волн — 2,7–2,9, коэффициент Пуассона [4] — 0,42 — 0,43, плотность — 1,5–1,6 г/см3, пористость — более 50 %. В слое обломочного материала (брекчий): мощность — 18–38 м, скорость продольных волн — 300 ± 50 м/с, отношение скоростей — 2,2–2,4, коэффициент Пуассона — 0,37 — 0,40, плотность — 1,7–1,8 г/см3. По сравнению с грунтом Земли лунный имеет очень низкие скорости и высокое отношение скоростей (большой коэффициент Пуассона).
Зондирование коры. Лунная кора была изучена в юго-восточной части Океана Бурь, где на расстоянии 180 км находились сейсмические станции «Аполлона-12 и -14». При этом использовался довольно необычный (для Земли) способ возбуждения упругих волн — сбрасывание отработанных отсеков космических кораблей. Экспедиции «Аполлонов» производили на поверхности Луны по два сейсмических толчка. Первый, когда третья ступень ракеты «Сатурн-5» весом более 14 т направлялась по команде с Земли в заданную точку поверхности Луны. При почти вертикальном падении со скоростью у поверхности 2,5 км/с возбуждались сейсмические волны такой силы, как при взрыве 10 т тротила. Второй толчок был вызван, когда взлетная ступень после возвращения экипажа в основной отсек была сброшена вблизи соответствующей сейсмической станции. При массе 2,4 т, скорости у поверхности 1,7 км/с и «пологой» траектории подлета к поверхности удар лунной кабины был эквивалентен взрыву 800 кг тротила.
Сеть лунных сейсмических станций зарегистрировала 9 таких «искусственных» ударов, а также один естественный — от падения метеорита весом более 1 т, который «удачно» упал (13 мая 1972 г.) в 140 км к северу от сейсмической станции «Аполлона-14». Всего было получено 14 сейсмограмм, из них 9 на расстоянии источник-приемник 67 — 358 км и 5 на расстоянии 850 — 1100 км (рис. 6, а). Сейсмические записи анализировались в соответствии с методами, принятыми в практике земного глубинного сейсмического зондирования коры. В связи с недостаточной точностью наблюдений и погрешностями в определении на сейсмограммах времен вступлений волн скоростное строение коры Луны определено с некоторым приближением. В верхней трети коры скорость продольных сейсмических волн быстро нарастала от значений 100 м/с в реголите до 4,5–5,0 км/с на глубине 10 км и 5,5–5,8 км/с на глубине 20 км.
Рис. 6. Сейсмические исследования лунной коры (а — сводка сейсмограмм, б — годограф):
