Научная статья на тему 'О возможности исследования лунной радиоэмиссии сейсмической природы с помощью лунного орбитального радиодетектора'

О возможности исследования лунной радиоэмиссии сейсмической природы с помощью лунного орбитального радиодетектора Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
35
5
Поделиться

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Ломоносов Б. Н., Хаврошкин О. Б., Царев В. А.

Обсуждается возможность исследования лунной радиоэмиссии сейсмической природы с помощью лунного орбитального радиотелескопа ЛОРД.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Ломоносов Б. Н., Хаврошкин О. Б., Царев В. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «О возможности исследования лунной радиоэмиссии сейсмической природы с помощью лунного орбитального радиодетектора»

УДК 537.591.15:550.34.09

О ВОЗМОЖНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛУННОЙ РАДИОЭМИССИИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ С ПОМОЩЬЮ ЛУННОГО ОРБИТАЛЬНОГО РАДИОДЕТЕКТОРА

Б. Н. Ломоносов, О. Б. Хаврошкин1, В. А. Царев

Обсуждается возможность исследования лунной радиоэмиссии сейсмической природы с помощью лунного орбитального радиотелескопа ЛОРД.

В настоящее время ФИАН, НПО им. Лавочкина, НИИЯФ МГУ и Институт космической физики Швеции совместно готовят к реализации эксперимент по регистрации космических лучей и нейтрино ультравысоких энергий с помощью Лунного Орбитального Радиодетектора (ЛОРД) [1]. Предполагается, что телескоп будет регистрировать с высокой чувствительностью радиоизлучение с поверхности Луны в области частот выше 100 МГц, которое возникает при взаимодействии космических частиц с лунным реголитом. Наряду с решением основной астрофизической задачи, радиотелескоп ЛОРД может быть использован и для получения информации, представляющей интерес также для других областей науки, таких как планетология, физика космической плазмы и т.п. Так, регистрация с помощью радиотелескопа ЛОРД излучения от дневной поверхности и приповерхностных структур Луны позволит исследовать вариации потока радиоэмиссии (РЭ) нетепловой природы и тем самым получить качественно новую информацию относительно лунной сейсмической активности и внутренней структуры Луны. Поскольку лунная РЭ может быть обусловлена также взаимодействием с Луной потоков рентгеновского и 7-излучения от астрофизических источников, это открывает возможность использования Луны как гигантского детектора этих потоков. Вместе с тем, исследование нетеплового излучения от поверхности Луны может способствовать

хИнститут физики Земли им. О. Ю. Шмидта, РАН.

лучшему пониманию механизмов электромагнитного излучения (ЭМИ) сейсмической природы на Земле. Как известно, ЭМИ от сейсмических источников на Земле может возникать в результате движений зарядов, сопровождающих процессы микродеформа ций и микроразрушений среды [2]. Природа этого ЭМИ пока изучена не достаточно полно. Существует несколько моделей преобразования механических напряжений в ЭМ излучение, которые используются для объяснения сейсмической эмиссии.

1. Образование новых микротрещин с заряженными поверхностями в породах.

2. Возникновение зарядов в вершинах существующих трещин под воздействием уве личивающихся нагрузок.

3. Сдвиговые движения пород, приводящие к вынужденным колебаниям атомов среды [3].

4. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные эффекты.

Основной практический интерес к исследованию радиосейсмической эмиссии на Зем ле связан, прежде всего, с задачей предсказания землетрясений (ЗТ). Один из возмож ных методов выявления предвестников ЗТ - исследование ЭМИ сейсмической природы. ЭМ эмиссия, предшествовавшая ЗТ, зарегистрирована в кГц и МГц областях [4]. а также при разрушении образцов пород в лабораторных условиях [5]. При возникновении сейсмических явлений на Земле источник ЭМ излучения (очаговая зона), как правило, располагается вблизи эпицентра ЗТ на глубинах 10-30 км. В этом случае только низкочастотная часть полного ЭМИ может достичь поверхности Земли из-за конечной проводимости земной коры. Поэтому не удается измерить полный спектр ЭМИ. (В экс периментах максимум ЭМИ наблюдается при частотах 100 кГц - 100 МГц, периоды модуляции излучения - 0.1с-20л«ии.)

Есть основания полагать, что подобные радиосейсмические излучения должны возникать и на Луне, и других планетах земной группы. Спорадическая РЭ может возникать во время столкновений больших метеоритов или газопылевых потоков с Луной; регулярная РЭ - из-за приливных сил, температурных градиентов и локальных механических напряжений [6].

Как известно, основной источник лунной РЭ на сантиметровых длинах волн - тер-мическая эмиссия с яркостнои температурой ± ~ 250 К. Интенсивность термической РЭ меняется медленно с периодом около месяца. Однако, после сильных ударов мете оритов или космических аппаратов по лунной поверхности, можно ожидать быстрых изменений интенсивности лунной РЭ, поскольку удар может вызвать собственные колебания Луны, что, в свою очередь, может сопровождаться трещинообразованием и

подвижкой разломов вблизи поверхности Луны и последующей генерацией ЭМИ. Для микротрещин длиной 0.1-1 мкм максимум ЭМИ ожидается в области частот 1 - 10 ГГц.

Действительно, подобная радиоэмиссия в различных частотных диапазонах была зафиксирована после сильных ударов метеоритов или космических аппаратов по лунной поверхности.

Так, 31 июня 1999 г. американский космический аппарат (КА) Lunar Prospector столкнулся с поверхностью Луны. Удар сопровождался сейсмическими эффектами, эквивалентными большому "лунотрясению", т.к. при массе К А 160 кг, скорости 1.7 км/с кинетическая энергия удара составила около 1015 эрг. При этом ожидаемая энергия ЭМИ могла быть в пределах ~ 108 — 1011 эрг. Во время наблюдения на 64 м радио телескопе "Калязин" 30 июля - 2 августа 1999 г. были зафиксированы вариации потока лунного радиоизлучения на длинах 13 и 21 см [6] при чувствительности радиотелескопа ~ 0.3 А' [6]. Была найдена корреляция между вариациями лунного сигнала на обеих длинах волн, что рассматривается как свидетельство в пользу общего механизма РЭ. Средние величины амплитуд вариаций лунной яркостной температуры составили 2

10 К.

Сообщалось об измерениях РЭ на 32 м РТ Международного Радиоастрономического центра в Вентспилсе при прохождении Луны через метеороидный поток в 2000 и 2001 гг. [7]. При бомбардировке поверхности Луны в момент прохождения максимума потока "Леонид" 17 и 18 ноября 2000 г. амплитуда флуктуаций лунного радиоизлучения на длине волны 2.46 см возросла в 3 - 5 раз и достигала 10 К. Большинство зафиксированных квазипериодических осцилляций имели периоды от 1 до 6 мин. Амплитуды осцилляций, наблюдавшиеся в 2001 г., были еще больше и достигали 18 и 19 ноября 25 К. Типичные периоды составляли 2.5; 3.0; 3.7 и 6.0 мин и походили на периоды, зарегистрированные в 2000 г.

На том же РТ в Вентспилсе 16 - 20 апреля 2001 г. были проведены исследования флуктуаций лунного радиоизлучения на длинах волн 1.3, 6 и 18 см в момент прохождения Луной метеороидного потока Lyrid [7]. Обнаружена переиодичность вариации потока лунной РЭ с периодами от 2 до 15 мин и амплитудами 1-10 К на всех длинах волн.

Указанные наблюдения представляют несомненный интерес, поскольку открывают новый канал для исследования лунной сейсмической активности и внутреннего строения Луны. Однако на зарегистрированные вариации лунного радиопотока в некоторых

случаях могли оказывать влияние и атмосферные возмущения. Поэтому измерения с борта лунного спутника, не подверженные атмосферным искажениям, будут особен но ценными. Важно подчеркнуть, что в случаях ударного возбуждения сейсмической активности Луны, моменты ударного воздействия могут быть заранее известны, а источники излучения располагаться на поверхности и в приповерхностных структурах Луны. Поэтому имеется принципиальная возможность регистрации полного спектра ЭМИ, что существенно как для исследования внутреннего строения Луны, так и для изучения механизмов сейсмческой РЭ. Это, в свою очередь, может также способствовать лучшему пониманию механизмов ЭМИ сейсмической природы на Земле.

Оценим теперь ожидаемую чувствительность канала для измерений амплитуд вариаций лунной яркостной температуры поверхности Луны и соответствующих минимальных потоков электромагнитного излучения, доступного для регистрации в эксперименте ЛОРД [1]. Напомним, что в этом эксперименте предполагается использовать многолучевую антенную систему, лучи которой направлены на лимб Луны и просматриваю! либо весь лимб, либо его часть (см. рис. 1).

Рис. 1. Видимая область поверхности Луны для одного из лучей антенны (размеры видимоЬ области: аЬ — - продольный и сс1 — ¿2 - поперечный).

Рассмотрим один из этих лучей с угловым размером АО. Если за время проведения эксперимента полное время наблюдения данным лучом активной зоны поверхности Лу ны составляет At, то очевидно, что разрешение температурных измерений А Г равно [8]

AT = T/(AfAt)~x/\

где Д/ - частотная полоса антенны. Для оценки At рассмотрим два типичных случая: (а) температурные флуктуации, обусловленные сейсмической активностью, распределены однородно по поверхности Луны (или по всей области, просматриваемой лучом при движении спутника); (б) сейсмическая активность ограничена областью с характерным размером d в плоскости орбиты спутника. Очевидно, что в первом случае ограничения на величину At накладываются только характерными ожидаемыми длительностями периодов сейсмической активности Ato, которые, как это следует из приведенных выше наблюдений, составляют обычно несколько часов. Полагая Т = 300 К, At0 — 2 час (что близко к периоду обращения спутника вокруг Луны) и Д/ = 50 МГц, получим АТа & 0.5 • 10~3 К. Во втором случае, активная область будет находиться в области видимости данного луча лишь часть г/ от полного периода обращения спутника по орбите вокруг Луны. Легко видеть, что при заданной высоте орбиты наименьшие значения At соответствуют лучу, лежащему в плоскости орбиты спутника. Тогда т] d/2irR и ATg = T/(Afr¡At0)~1//2, где R = 1738 км - радиус Луны и d определяется размерами области видимости данного луча на поверхности Луны в плоскости орбиты. При ориентации луча на лимб, размер пятна в плоскости орбиты d существенно превосходит размер di — (2Rh + К2)1!2АО в поперечном направлении (h - высота орбиты спутника). Полагая h = 200 км и АО = 15°, получим d\ « 214 км, d ñ¡ 740 км и )| й 0.07. Если, по-прежнему, считать, что характерная продолжительность сейсмической активности составляет 2 часа, то получим оценку точности измерений ATg « 2 • 10~3 К.

Соответствующие значения чувствительности AQ измерений плотности потока радиоизлучения можно найти по формуле AQ = 2kAT(Aej, где к = 1.38- Ю-23 Дж/К - постоянная Больцмана и Aef¡ - эффективная площадь для одного луча антенны. Поскольку параметры эксперимента ЛОРД в настоящее время окончательно не определены, рассмотрим два возможных выбора длины волны: Ai = 1 м и А2 = 0.5 м. Тогда значения Aejj равны 16 и 4 м2, соответственно, что приводит к следующим оценкам: AQal = 0.086 Ян, AQa2 = AQ6l = 0.34 Ян и AQ62 = 1.38Ян(\Ян =

Ю-26 Вт/м2/МГц), соответственно для рассмотренных случаев. Таким образом, ожидаемая чувствительность в эксперименте ЛОРД вполне достаточна для регистрации радиоэмиссии, обусловленной как сейсмической активностью Луны, так и внешними воздействиями астрофизического и космогонического происхождения.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Гусев Г. А.,Ломоносов Б. Н., П и ч х а д з е К. М. и др. Космические исследования, 44, 22 (2006).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

[2] С о б о л е в Г. А., Демин В. М. Механоэлектрические случаи в Земле, М., Наука, 1980.

[3] S a s a k i Н. and Т s а г е v V. A. J. Atmospheric Electricity, 17(2), 77 (1997).

[4] G о к h b е г g М. В., М о е g u п о v V. A., and Pokhotelov О. A. Earthquake prediction - Seismoelectromagnetic phenomena, Amsterdam, Gordon and Breach Publishers, 193 (1995).

[5] Гершензон H. И., Зилпимиани Д. О., Манцгаладзе П. В., Похотелов О. А. Доклады АН СССР, 228, 75 (1986).

[6] В е г е z h п о i A. A., Gusev S. G., К h a v г о s h k i n О. В., et al. Proc. of the 4th Intern. Conf. on Exploration and Utilization of the Moon, 2000, p. 179.

[7] В e r e z h n о i А. А., В e r v a 1 d s E., К h a v г о s h k i n О. В., et al. Baltic Astronomy, 11, 507 (2002).

[8] X а в p о ш к и н О. Б. Некоторые проблемы нелинейной сейсмологии, М., ОИФЗ РАН, 301 (1999).

Поступила в редакцию 27 апреля 2006 г.