Постоянные гравитационного поля и фигура луны. Привет студент. Магнитные камни луны

У Земли и Луны весьма непростые взаимоотношения. После активного и тесного общения в 60-е и 70-е, после высадок астронавтов и поездок луноходов, после доставки и изучения грунта, мировая космонавтика практически забыла о спутнике Земли, сконцентрировав деятельность на других направлениях. Это даже стало причиной появления мифа будто кто-то или что-то запретило людям изучать Луну. Однако исследования продолжаются, причем довольно активные, об этом сегодня и поговорим.

После старта возвращаемого модуля АМС «Луна-24» , и доставки последней щепотки реголита между Землей и Луной остался только вакуум. Лишь спустя 14 лет космонавтика стала возвращаться к Луне. Правда о пилотируемых путешествиях пока забыли — слишком невыгодное соотношение между затратами и научно-практической пользой от полета. Поэтому сейчас летают, в основном, спутники, слетал один луноходик, и готовятся другие посадочные аппараты.

В 90-е гг. первыми к Луне вернулись японцы, снарядившие миссию Hiten.

Спутник, по большей части, предназначался только для отработки технологии перелетов, гравитационных маневров, аэродинамического торможения в атмосфере Земли, т.е. учились летать между Землей и Луной. На борту у него был микроспутник, который хотели выбросить на окололунной орбите, но аппарат не включился.

В 1994-м году к Луне отправился американский исследовательский аппарат Clementine.

Ее тоже использовали для тестов и изучения влияния дальнего космоса на электронику, но к этому добавили еще и несколько приборов: ультрафиолетовый и инфракрасные спектрометры, и камеру высокого разрешения с шестью цветными фильтрами на колесе (подробнее о том, ). Благодаря им удалось начать геологическое картографирование Луны.

Был еще лазерный высотомер для создания трехмерной карты лунной местности. На основе данных Clementine удалось создать приложение Google Moon, которое потом дополнили снимками с орбитальных модулей Apollo, и японской автоматической Kaguya.

Снимки камеры высокого разрешения Clementine оказались не особо-то высокого разрешения — от 7 до 20 метров, т.к. спутник летал на высоте около 400 км — с такого расстояния много не рассмотришь.

Снимок в расширенных цветах, позволяющий увидеть различия геологических пород .

Зато благодаря Clementine ученые получили первые косвенные данные о наличии на полюсах Луны воды в повышенной концентрации.

Следом, в 1998 году, полетел Lunar Prospector, тоже от NASA.

Его камерами вообще не оборудовали, и устроен он был довольно примитивно, но он смог провести первое геологическое картографирование Луны при помощи нейтронного датчика и гамма-спектрометра. Спутнику удалось определить, что на полюсах Луны вода может достигать концентрации 10% в грунте.

Применение гамма-спектрометра (подробнее о том, ) позволило определить распределение по поверхности кремния, железа, титана, алюминия, фосфора и калия. Проведены более точные измерения гравитационного поля, выявлены новые неоднородности — масконы.

В 2000-х к «лунному клубу» стали присоединяться новые участники. В 2003 году Европейское космической агентство запустило экспериментальную миссию Smart-1. Задачи полета тоже были по большей части технологические — Европа училась использовать плазменный двигатель для перелетов в дальнем космосе. Но кроме этого имелись и бортовые камеры: для съемки в видимом и инфракрасном диапазонах.

Камера у Smart -1 была небольшая, а орбита высокая: от 400 до 3000 км, поэтому кадры получались в основном широкоугольные и низкого разрешения. Наиболее детальные кадры были всего 50 м на пиксель, а глобальную карту удалось построить только из кадров в 250 м на пиксель. Хотя вначале миссии ставились цели рассмотреть Apollo и Луноходы, но не сложилось — для них нужно разрешение менее метра. Зато рассмотрели пики вечного света на полюсах.

Smart-1 опробовал лазерную связь с Землей еще когда летел к Луне. Передавать данные по лучу тогда не предполагали, только попытались пострелять в однометровый телескоп обсерватории на острове Тенерифе. Цель была — изучить влияние земной атмосферы на луч. Попытка оказалась удачной — в телескоп попали, но развивать технологию не стали — радио показалось надежнее.

Тут надо отвлечься и ответить на вопрос, который наверняка уже у многих возникал: почему нельзя спуститься пониже, чтобы снимки поверхности были качественнее? Вроде бы атмосферы нет, летай хоть на 10 метра! Но с Луной не все так просто. И атмосфера с пылью там какая-никакая есть, но ей можно пренебречь, а пренебрегать нельзя масконами. Маскон — это локальное увеличение гравитационного поля.

Предположим мы летим на высоте 10 км над однородной равниной. Сила притяжения действующая на аппарат имеет одно неизменное значение. Мы его компенсируем ускорением двигательной установки набираем первую космическую скорость, и можем летать на этой высоте бесконечно, если нам ничто не помешает. Но если мы будем летать не вокруг гигантского бильярдного шара, а вокруг, к примеру, Луны, то равнина быстро кончится. И встретится нам, к примеру, горный хребет, высотой 5 км. Что будет с гравитационным полем? Правильно: притяжение аппарата возрастет. Этакая гравитационная выбоина на орбите спутника. И чем ниже спутник прижимается к поверхности, тем более мелкие «выбоины» начинают на него оказывать воздействие.

Луна же еще сложнее. Когда-то на нее падали огромные астероиды, которые пробивали кору, и вызывали поднятие более плотной мантийной породы к дневной поверхности. А дневная поверхность сложена из более рыхлых вулканических пород. В результате мы получаем относительно гладкую равнину, с разнородным гравитационным полем. Мантийное вещество более плотное и массивное, т.е. притягивает сильнее и получается эквивалент гравитационной «горы». Это, собственно, и называется маскон — концентратор массы.

В 2007 году к Луне отправилась японская Kaguya. Научившись летать к естественному спутнику Земли, японцы решили усердно заняться его изучением. Масса аппарата достигала почти 3 тонны — проект назвали “самой масштабной лунной программой после Аполлона”.

На борту были установлены два инфракрасных, рентгеновский и гамма-спектрометр для изучения геологии. Заглянуть глубже в недра должен был прибор Lunar Radar Sounder.

Kaguya сопровождалась двумя малыми спутниками-ретрансляторами Okina и Ouna, каждый массой по 53 кг. Благодаря ним удалось исследовать неоднородности гравитационного поля на обратной стороне — составить более подробную карту масконов. Kaguya сначала летала на высоте 100 км, потом снизилась до 50 км, наснимала шикарные кадры лунных пейзажей, и прекрасный закат Земли, но увидеть Apollo или Луноходы не смогла — разрешения камеры не хватило.

За два года работы Kaguya аппарат смог получить богатый набор данных со своих приборов, желающие могут посмотреть фоточки и видео с лунной орбиты. Открыт для всех и архив научной информации — бери не хочу.

Вслед за Kaguya к Луне отправились новички: индийцы и китайцы. У них сейчас разворачивается целая лунная гонка, в беспилотном режиме.

В 2008 году к Луне стартовала первая в дальнем космосе автоматическая миссия Индии — Chandrayaan-1.

Аппарат нес несколько индийских и несколько иностранных приборов, среди которых были инфракрасные и рентгеновские спектрометры. На борту была установлена стереокамера, которая снимала поверхность с детализацией до 5 метров.

Интересное исследование было проведено американским прибором — небольшим радаром с синтезированной апертурной решеткой. Ученые хотели выяснить запасы льда на лунных полюсах. После нескольких месяцев работы, полюса были как следует осмотрены и первые отчеты были весьма оптимистичны.

Радар определял рассеяние радиоволн на различных элементах рельефа. Повышенный коэффициент рассеяния мог возникать на раздробленных элементах породы, как писалось в отчетах “roughness” — шероховатостях. Похожий эффект могли вызывать и залежи льда. Анализ приполярных областей показал два типа кратеров, которые демонстрировали высокую степень рассеяния. Первый тип — молодые кратеры, они рассеивали радиолуч не только на дне, но и вокруг себя, т.е. на породе, которая была выброшена при падении астероида. Другой тип кратера — “аномальный”, рассеивали сигналы только на дне. Причем отмечалось, что большинство таких аномальных кратеров находится в глубокой тени, куда никогда не попадают лучи солнца. На дне одного из таких кратеров зарегистрировали температуру, вероятно самую низкую на Луне, 25 Кельвинов. Ученые NASA пришли к выводу, что радар видит на склонах “аномальных кратеров” отложения льда.

Оценки ледяных залежей по данным радара Chandrayaan-1 примерно подтверждали оценки нейтронного детектора Lunar Prospector — 600 млн тонн.

Позже китайские ученые провели свое независимое исследование на основе данных Chandrayaan-1 и LRO и пришли к выводу, что “нормальные” и “аномальные” кратеры на Луне ничем не отличаются по коэффициенту рассеяния ни у полюсов, ни у экватора, где льда не ожидается. Они же напомнили, что исследование с Земли при помощи радиотелескопа Аресибо не обнаружило никаких залежей льда. Так, что лунные запасы воды по-прежнему хранят тайну и еще ждут своего первооткрывателя.

Chandrayaan-1 нес еще один интересный прибор — Moon Mineralogy Mapper — инфракрасный гиперспектрометр для геологического картографирования Луны в высоком разрешении. Он тоже дал противоречивые результаты. Во-первых, в очередной раз подтвердил повышенное содержание воды или водородсодержащих минералов в приполярных регионах. Во-вторых, нашел признаки воды и гидроксила в тех местах, где Lunar Prospector не показывал никаких признаков повышенного содержания водорода.

Проблема с Moon Mineralogy Mapper в том, что он анализировал буквально верхние миллиметры грунта, и та вода, которую он нашел, может быть результатом воздействия солнечного ветра на лунный реголит, а не указывать на богатые залежи в недрах.

К сожалению миссия Chandrayaan-1 прекратилась раньше запланированного из-за технической неисправности на аппарате — он не проработал и года. Сейчас Индия готовится осуществить посадочную миссию и высадить мини-луноход.

Дальше всех из “новичков” в изучении Луны продвинулся Китай. На его счету два спутника, и один Луны с возвращением капсулы — так они готовятся к доставке лунного грунта, а в перспективе и к пилотируемому полету. Об их достижениях и планах, а также об американской лунной программе XXI века мы поговорим отдельно.

Пористость коры лунных возвышенностей делает ее не такой плотной, как считалось

Карта гравитационного поля Луны, составленная по данным миссии GRAIL

Запущенные в сентябре 2011 г., зонды GRAIL А и В (впоследствии получившие собственные имена Ebb и Flow) находятся на приполярной окололунной орбите, на высоте около 55 км над ее поверхностью. В конце августа 2012 г. они закончили выполнение основной части своей миссии, результатом которой и стала новая карта гравитационного поля, и в настоящий момент выполняют дополнительные задачи.

А тем временем точная карта гравитационного поля Луны позволит ученым лучше понять внутреннюю структуру, состав и историю не только нашего спутника, но и Земли, и всей Солнечной системы. Она ясно демонстрирует прежде неизвестные детали лунной поверхности — тектонические структуры, вулканические образования, низины и бесчисленные мелкие кратеры. Во всяком случае, гравитационное поле Луны непохоже ни на одно из полей других небесных тел в Солнечной системе.

Раз за разом синхронно облетая Луну, пара зондов Ebb и Flow размерами примерно со стиральную машину каждый, постоянно обменивались радиосигналами, с огромной точностью следя за расстоянием между собой. Изменение гравитационных сил, действующих на них, тут же меняло это расстояние — так и была составлена уникальная новая карта.

«Она показывает, что Луна в большей степени, чем какое-либо другое небесное тело, скрывает свое гравитационное поле «в рукаве», — говорит возглавляющая работу миссии Мария Зубер (Maria Zуber). — Увидев заметный скачок в гравитационном поле, мы можем тут же связать его с особенностями топографии — кратерами, пиками, каньонами». По словам профессора Зубер, гравитационное поле можно назвать матрицей, сохраняющей историю бомбардировки Луны метеоритами, которая показывает наличие глубинных разломов, достигающих внутренних слоев коры и, возможно, мантии спутника.

Зонды показали существование длинных, в сотни километров, гравитационных аномалий, тут и там выходящих на поверхность. Скорее всего, они свидетельствуют о наличии под поверхностью длинных и вытянутых, узких «валов» давно застывшей плотной магмы. Если нам удастся понять механизм их появления, мы многое узнаем о прошлом Луны. Впрочем, кое-что можно узнать уже сейчас.

Судя по новой информации, средняя плотность коры на лунных возвышенностях заметно меньше того, что предполагалось до сих пор. Эти данные были получены после анализа образцов, доставленных астронавтами миссий Apollo еще в 1970-х — видимо, образцы были собраны на не самых характерных участках поверхности Луны. Уточненная цифра плотности позволяет переоценить и толщину коры спутника, сократив ее на 10−20 км, до 34−43 км. Кроме того, состав коры оказывается очень близок к земному, что служит еще одним доводом в пользу происхождения Луны в результате

7.3 Гравитационное поле Луны

Неоднородности в распределении масс отражаются в гравитационных аномалиях. Гравитационными аномалиями, то есть отклонениями значения силы тяжести от "естественного", нормального значения. Поскольку Луна очень мало отличается от шара, то нормальным потенциалом можно считать постоянную величину. Параметры этого шара: средний радиус равен 1738 км , средняя плотность 3,3440,004 г/см , безразмерный момент инерции .

Гравитационный потенциал Луны принято записывать в виде трех слагаемых

где -- потенциал притяжения, -- центробежный потенциал, -- приливной потенциал. Последний вносит существенный вклад в гравитационный потенциал Луны. В лекции, посвященной деформации уровенной поверхности планеты под действием приливного возмущения, мы показали, что уровенная поверхность "вытягивается" в сторону притягивающего тела. Луну можно аппроксимировать трехосным эллипсоидом с полуосями , , м , ориентированным так, что его большая полуось направлена в сторону Земли.

Детальное исследование фигуры Луны стало возможно только после запуска искусственных спутников Луны (ИСЛ). Однако исследованием Луны занимались задолго до запуска ИСЛ. Сотрудники ГАИШ М.У.Сагитов и Н.П.Грушинский, используя астрометрические наблюдения получили, что сила тяжести на лунном трехосном эллипсоиде изменяется по закону

где , . Эта формула показывает, что сила тяжести к полюсу не растет, как это имеет место на Земле, а уменьшается! Это противоречит здравому смыслу. Тем более, что геометрическое сжатие положительно:

Согласно теореме Клеро, если Луна равновесное тело, то . Может быть величина аномально мала? Скорее всего -- Луна не равновесное тело. Она остановила свое вращение уже после того, как она получила свое гидростатическое сжатие, затем затвердела. Все эти вопросы лежат в русле космогонии системы Земля- Луна.

В спутниковую эру гравитационный потенциал Луны был определен неоднократно. Укажем лишь результат Феррари

Как видим, снова сила тяжести к полюсу не растет, а убывает.

На карте селеноида Феррари отчетливо видно увеличение высоты поверхности уровня над шаром в сторону Земли на 400 метров и свыше 300 метров -- с обратной стороны Луны. То есть вытянутость селеноида в сторону Земли очевидна. Правда, расчеты показывают, что приливной потенциал Земли на порядок меньше! Пофантазируем немного. Мы знаем, что Луна из-за приливного действия Земли от нас отдаляется. Когда-то Луна была существенно ближе к нам, а приливной эффект много больше современного. Если бы Луна была ближе в 2,7 раза, то приливным влиянием можно было бы объяснить наблюдаемую вытянутость селеноида в сторону Земли. Но тогда следует вывод, что даже тогда вращение Луны и ее обращение вокруг Земли были синхронны!

Наблюдения за ИСЛ позволили определить гравитационное поле Луны, а по нему и региональные (покрывающие большие площади) аномалии. Определение локальных аномалий требует выполнения физических экспериментов. Как мы уже упоминали, американские астронавты выполняли гравитационные измерения с помощью специальных лунных гравиметров, но этих измерений было очень мало. Один из универсальных методов измерения -- это наблюдение за свободно падающим телом. Главная трудность для реализации метода -- обеспечение точности определения ускорения свободного падения тела.

В 1968 году, за год до высадки человека на Луну, американские ученые П.Мюллер и У.Сьегрен исследовали лучевые ускорения ИСЛ Лунар Орбитер 5 . Они обнаружили на морях, где обязаны быть отрицательные гравитационные аномалии, в действительности имеются крупные положительные аномалии, которые нельзя объяснить ничем, кроме как концентрацией тяжелых масс. Такие структуры они назвали масконами (mass concentrations). На высоте полета спутника (100 км ) гравитационные аномалии достигали 200 мГал и более. В частности, над морем Дождей гравитационная аномалия равна 250 мГал , над морем Ясности -- 220 мГал , над морем Кризисов -- 130 мГал . Были предложены различные "сценарии" образования этих аномалий. Сами Мюллер и Сьегрен считали, что положительную аномалию создает железоникелевый метеорит, который упал на Луну и остался в лунной коре. Позже господствовала такая гипотеза. На Луну падает тело астероидных размеров и образует "морскую впадину". Эта впадина создает небольшую отрицательную аномалию. Тот час лавовые излияния поднимаются вверх и заполняют трещины до полной изостатической компенсации. Кора застывает, приобретает высокую прочность и выдерживает дополнительную нагрузку без деформаций. Бассейн заполняется материалом, создается избыточная масса, которая и дает положительную гравитационную аномалию. Правда, современные данные говорят о том, что лавовые излияния возникли не сразу, а спустя 0,5 млрд. лет. Первоначально возникшая отрицательная аномалия исчезает, кора становится изостатически компенсированной. Возникшие лавовые излияния достаточно прочная кора выдерживает и вот уже 3 млрд. лет изостатически не компенсированная кора имеет положительные аномалии за счет внедрения более плотных масс из недр Луны.

Глобальные изменения силы тяжести (область проявления более 10 4 км) мо­

гут быть вызваны смещениями эксцентричного земного ядра относительно ман­

тии , перемещениями масс в мантии (конвекция в мантии) и литосфере (дви­

жение тектонических плит), а также повышением уровня Мирового океана. Реги­

ональные изменения (10 2 - 10 4 км) происходят одновременно с послеледнико­

выми процессами изостатической компенсации, тектоническими процессами (го­

рообразование) и накоплением осадочных пород. Глобальные и региональные из­

менения носят вековой или очень длительный характер на интервалах 10 3 - 10 8

лет; вместе с тем нельзя исключить долгопериодические компоненты. Локальные

изменения (10° - 10 2 км) связаны в основном с сейсмотектоническими процесса­

ми, а также с явлениями до и после землетрясений, с вулканическими процесса­

ми, с движениями в зонах разломов земной коры и грабенов. Землетрясения и

вулканическая активность влекут резкие мгновенные и короткопериодические из­

менения силы тяжести, для асейсмических движений характерны временные ин­

тервалы 10° - 10 2 лет. Изменения уровня грунтовых вод и другие гидрологиче­

ские цроцессы, как и вариации атмосферного давления, приводят к нерегулярным

периодическим изменениям силы тяжести в течение 10- 2 - 10° лет. И наконец,

отметим смещения масс и связанные с ними изменения силы тяжести в результа­

те человеческой деятельности (откачка воды, нефти, газа, горные разработки, со­

здание крупных инженерных сооружений) в течение 10° - 10 2 лет.

3.5. Гравитационные поля Луны и планет

Крупномасштабные структуры внешних гравитационных полей Луны и ближай­ ших к Земле планет были изучены на основе анализа орбит далеких космических

аппаратов, а также спутников Луны и планет. Для внешних планет Солнечной

системы эти данные были дополнены наземными астрономическими наблюдени­

ями (оптическими и радиотехническими методами). Измерения силы тяжести бы­

ли выполнены и на самой поверхности Луны. Современное состояние исследова­

ний гравитационных полей Луны и планет описано в работе , гравитацион­ ные поля Луны и планет земной группы рассмотрены в , а также в работе . Обширная монография о гравитационном поле Луны написана Сагитовым и др. . В рамках будущих исследовательских программ обсуждается примене­

ние орбитальных гравитационных градиентометров (разд. 8.3.3).

3.5.1. Гравитационное поле Луны

получим для модели Луны, состоящей из сферических слоев (средний радиус

1737,53 км), среднюю величину силы тяжести на поверхности:

Таблица 3.6. Нормированные гармони­ ческие коэффициенты (округленные зна­

чении) поля силы тяжести Луны }