Новые данные гравитационного поля Луны по результатам

1
Новые данные гравитационного поля Луны по результатам космической миссии Grail
Пугачева Светлана Георгиевна, кандидат физико-математических наук;
Шевченко Владислав Владимирович, профессор, доктор физико-математических наук
Государственный Астрономический Институт им. П.К. Штернберга МГУ
Введение.
В статье представлены результаты изучения лунной
поверхности в районах гравитационных аномалий. Источником гравитационных аномалий Луны являются масконы с локальной концентрацией масс на глубине в грунте
вулканических плато и лунных морей. Формирование масконов связано с интенсивным развитием базальтового вулканизма на ранней стадии существования Луны [7].
Множество вулканических структур было обнаружено
космическими аппаратами Grail. Это тектонические структуры, бассейны ударных кратеров, древние линейные гравитационные аномалии. Фотографии с орбитальных спутников Луны Grail показывают лунные моря, покрытые
вулканической лавой, извивающиеся потоки лавы, конусы,
купола и разрушенные впадины. В статье мы приводим
данные физико-механических свойств поверхностного слоя
грунта лунных масконов и даем оценку химического состава грунта. Исследование гравитационное поля Луны. Исследованием гравитационного поля Луны занимались задолго до запуска первых искусственных спутников Луны.
Сотрудники
ГАИШ
МГУ
М. У. Сагитов
и
Н. П. Грушинский вычислили силу тяжести на лунном
трехосном эллипсоиде, используя наземные астрометрические наблюдения [14]. Они предложили модель, согласно
которой гравитационное поле Луны можно представить
полем трехосного эллипсоида, полярная ось которого перпендикулярна эклиптике, а большая экваториальная ось
лунного эллипсоида направлена в сторону Земли. Исследования показали, что сила тяжести на Луне увеличивается от полюсов к экватору примерно на 0,0004 ее полной
величины. Гравитационное поле лунного трехосного эллипсоида изменяется по закону Лежандра.
Позднее гравитационное поле было определено по
наблюдению искусственных спутников Луны. Наблюдения
подтвердили вытянутость эллипсоида Луны в сторону
Земли. Модель Феррари трехосного эллипсоида Луны
показывает, что высота поверхностного уровня над шаром
в сторону Земли составляет 400 метров и 300 метров - с
обратной стороны Луны.
В 1968 году американские ученые П.Мюллер и
У.Сьегрен по результатам исследования лучевых ускорения ИСЛ Лунар Орбитер 5 обнаружили крупные положительные аномалии в море Дождей, море Ясности, море
Кризисов [12]. На высоте полета спутника (100 км) гравитационные аномалии достигали 200 мГал и более. В частности, в море Дождей гравитационная аномалия равна
250 мГал, в море Ясности -- 220 мГал, в море Кризисов -130 мГал.
Исследование гравитационного поля Луны космическими аппаратами GRAIL.
Новые данные о гравитационном поле Луны были получены с двух космических аппаратов Grail. Аппараты
были запущены 10 сентября 2011 года, получившие названия отлив (Ebb) и прилив (Flow). Зонды летели по одной и
той же орбите один за другим на высоте в 55 км над поверхностью Луны. Расстояние между аппаратами фиксировалось с микронной точностью и изменялось в зависимости от величины гравитационного поля при прохождении
аппаратов над видимыми морфологическими объектами, к
которым относятся горы, кратеры, а также массивные
объекты, скрытые под поверхностью Луны [11].
По данным миссии GRAIL в NASA составлена уникальная карта гравитационного поля Луны (рис.1).
2
Рис. 1. Гравитационная карта Луны по результатам измерений космических аппаратов миссии Grail (карта NASA)
Гравитационное поле отражает историю бомбардировки Луны метеоритами, показывает наличие глубинных
разломов, достигающих внутренних слоев коры и, возможно, мантии спутника [6; 13]. Зонды обнаружили существование длинных, в сотни километров, гравитационных аномалий, выходящих на поверхность. Скорее всего, они свидетельствуют о наличии под поверхностью длинных и вытянутых, узких «валов» давно застывшей плотной лавы.
[11].
Химическая композиция и физико-механические характеристики грунта в районах лунных масконов.
В статье мы приводим данные физико-механических
свойств поверхностного слоя грунта лунных «морей» и даем оценку химического состава грунта. Все измерения выполнены согласно теоретическим моделям рассеяния света
на основе съемки поверхности Луны орбитальными космическими аппаратами и анализа образцов лунного грунта.
Вычислены параметры неоднородности макрорельефа
поверхности лунных морей: альбедо, плотность грунта,
средние размеры зерен частиц слагающих поверхностный
слой, по данным Grail приведена мощность коры лунных
морей.
Химический состав грунта лунных масконов был определен в каталогах элементного химического состава поверхностных пород Луны LP GRS NASA. Каталоги обобщают сведения результатов измерений гаммаспектрометром КА Lunar Prospector [3, 9] процентного
содержания 10 химических элементов в поверхностном
слое Луны. По результатам измерений состава лунного
грунта установлено, что максимальное содержание окиси
железа 20 wt.%., тория 12 ppm, железа 0 -18 wt. % зарегистрировано в районах расположения гравитационных
аномалий и лунных морей. В таблице 1 приведены названия лунных морей, селенографические координаты, гравитационный потенциал. Химический состав грунта лунных
морей и физико-механические параметры поверхности
грунта приведены в таблице 2.
Таблица 1. Селенографические координаты, диаметры, величина гравитационного потенциала в районах лунных
морей (* - данные Grail)
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Латинское название
морей
Serenitatis
Imbrium
Humorum
Cognitum
Nectaris
Anguis
Crisium
Smythil
Tranquillitatis
Orientale
Moscoviense
Humboldtianum
Nubium
Insularum
Fecunditatis
Australe
Ingenii
Marginis
Vaporum
Undarum
Spumans
Frigoris
Русское название
морей
Ясности
Дождей
Влажности
Познания
Нектара
Змеи
Кризисов
Смита
Спокойствия
Восточное
Москвы
Гумбольта
Облаков
Островов
Изобилия
Южное
Мечты
Краевое
Паров
Волн
Пены
Холода
В предыдущих статьях нами была установлена корреляционная зависимость химического состава пород с макроструктурой лунной поверхности. Макроструктура поверхности оценивалась путем сравнения локальной фазовой функции с лунной пространственной индикатрисой
рассеяния [15]. Разность фазовых функций при фазе 18
градусов (параметр фотометрической неоднородности ΔI)
хорошо согласуется с химическим составом поверхностного
слоя грунта, в частности с содержанием тория и окисью
железа. На рисунке 2 приведен график зависимости параметра фотометрической неоднородности и количество
частиц различных фракций образцов лунного грунта. Величина фотометрического параметра является показателем шероховатости поверхности.
Широта
град.
28,0
32,8
-24,4
-10,0
-15,2
22,6
17,0
1,3
8,5
-19,4
27,3
56,8
-21,3
7,5
-7,8
-38,9
-33,7
13,3
13,3
6,8
1,1
56,0
Долгота
град.
17,5
-15,6
-38,6
-23,1
35,5
67,7
59,1
87,5
31,4
-92,8
147,9
81,5
-16,6
-30,9
51,3
93,0
163,5
86,1
3,6
68,4
65,1
1,4
Диаметр км
707
1123
389
376
333
150
418
373
873
327
277
273
715
513
909
603
318
420
245
243
139
1596
Масконы*
mGal H=55км
550
500
500
500
500
500
400
400
300
300
300
200
100
100
50
50
-50
-100
-100
-100
-100
-150
Для оценки неоднородность поверхности лунных масконов использовались следующие параметры: альбедо
поверхности, плотность грунта, среднее количество зерен в
образцах. Эти параметры характеризуют тонкую структуру грунта в масштабе дециметровых неровностей. Перечисленные параметры вычислены с помощью фотометрической модели Hapke, двунаправленного отражения света
поверхностью [5]. В таблице 2 приведены физикомеханические параметры неоднородности грунта лунных
морей.
Последовательность расположения лунных морей (порядковый номер морей) в таблице 2 соответствует номеру
и названию моря таблицы 1.
3
Рис. 2.График зависимости параметра фотометрической неоднородности от шероховатости поверхности [1, 10]
Таблица 2. Химический состав грунта лунных морей и физико-механические параметры поверхности грунта
(* - данные Grail)
Химический состав грунта
Параметры неоднородности
N
Thorium
ppm (max)
Iron wt%
(max)
FeO wt%
(max)
Альбедо
Плотность грунта
Средний размер частиц
(мм)
Толщина
Коры * (км)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
2,55
4,93
2,98
6,04
2,70
1,60
2,34
2,21
2,88
1,50
1,75
1,85
6,67
9,22
3,01
1,69
2,43
1,88
5,01
1,81
2,43
5,14
12,66
1,37
11,63
14,15
8,00
7,07
20,28
7,66
13,60
4,24
5,81
3,99
10,49
13,83
10,99
5,65
6,03
8,74
9,99
6,70
10,43
9,01
19,16
19,83
19,94
17,22
14,33
7,39
16,32
13,02
17,98
10,76
9,70
9,70
18,89
16,50
17,15
9,45
10,62
13,19
16,75
9,74
10,43
14,46
38,79
44,45
55,56
38,79
35,34
66,67
50,00
71,67
38,79
68,01
57,03
57,03
83,38
55,56
44,45
71,67
71,67
57,03
42,79
38,79
55,56
50,00
0,81
1,92
1,17
1,74
1,92
0,01
0,49
0,48
0,42
0,30
0,50
0,46
1,91
1,71
0,89
0,32
0,42
0,46
0,52
0,86
0,45
1,99
0,018
0,041
0,085
0,018
0,004
0,130
0,063
0,150
0,018
0,135
0,091
0,091
0,197
0,085
0,041
0,150
0,150
0,091
0,034
0,018
0,085
0,063
60
50
90
90
80
70
60
50
40
40
10
40
70
70
70
50
70
50
80
30
30
60
Величина фотометрического параметра характеризует
степень шероховатости поверхности и находится в корреляционной зависимости с содержанием тория и окиси железа в поверхностном слое грунта. Корреляции содержания тория и окиси железа в грунте с микроструктурой
позволяет предположить, что KREEP породы в районах
лунных морей расположены на небольшой глубине.
По данным Grail толщина лунной коры колеблется в
пределах от 10 до 60 км, в районах кратеров обратной стороны Луны толщина коры может составлять 10 км, тогда
как в районах горных массивов толщина коры достигает
более 50 км.
Результаты измерений гравитационного поля Луны
космическим зондом Grail отличаются от результатов сейсмических экспериментов на Луне в местах посадки космических аппаратов. На основании показаний лунных
сейсмических станций было установлено, что лунная кора
горизонтально неоднородна, средняя мощность коры для
всей Луны составляет 60 км, на обратной стороне Луны
мощность коры может достигать 100 км [4,8].
Тем не менее, результаты измерений Grail подтвердили, что районы высокой гравитации (масконы) расположены на видимой стороне Луны под лунными морями. На
обратной стороне Луны положительные гравитационные
аномалии наблюдаются в Море Мечты, в бассейне Южный полюс Эйткен. На обратной стороне Луны обнаруже-
4
ны линейные гравитационные аномалии, которые не видны на топографических картах рельефа, т.к. это очень
древние структуры, расположенные в верхней коре Луны.
В центральной части обратной стороны Луны преобладают отрицательные аномалии с глубокими полостями в
лунной коре.
Заключение.
Эксперимент изучения гравитационного поля Луны
космическими аппаратами Grial позволил лучше изучить
внутреннюю структуру Луны, её состав, историю происхождения и формирования современной Луны.
В статье приводятся корреляционные зависимости химического состава лунного базальта и макроструктуры
поверхности. Рассмотрен новый метод оценки макроструктуры поверхности путем сравнения локальной фазовой
функции с теоретической моделью пространственной индикатрисы рассеяния света. Возможно, что в районах лунных масконов расположены KREEP породы с высоким
содержанием тория и железа, а также редкоземельные
металлы иридий, никель, платина. Не исключено, что
KREEP породы в районах лунных морей расположены на
небольшой глубине.
Литература:
1. Apollo 11 Preliminary Scince Report, 1969, NASA SP-214, 47.
2. Apollo 12 Preliminary Scince Report, 1970, NASA SP-235, 126.
3. Gillis J.J., Jolliff B. L., Korotev R.L. Lunar surface geochemistry: Global concentrations of Th, K, and FeO as derived
from lunar prospector and Clementine data // Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, Volume 68, Issue 18, p. 3791-3805.
4. Галкин И.Н. Геофизика Луны. Москва: наука, 1978, с. 101.
5. Hapke B. Theory of reflectance and emittance spectroscopy. Cambridge university press. 2005. 455 p.
6. Harald H., Jauman R., Newkum G. Ages of mare basalts on the lunar nearside // Journal of geophysical research, 2000,
V. 105, No. E12, p. 239-275.
7. Head J. W., Wilson L. Lunar mare volcanism: Stratigraphy, eruption conditions and the evolution of secondary crusts //
Geochimica et. Cosmochimica. Acta, 1992, Issue 14, Volume 56, p. 2155-2175.
8. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет, Москва, «Наука», 1983, стр. 366-388.
9 Lawrence D.J., Elphic R.C., Feldman W.C., Gasnault O., Hagerty J.J., Maurice S., Prettyman T.H. The Lunar Prospector
Gamma-Ray and Neutron Spectrometers: Overview of Lunar Global Composition Measurements // Journal of Geophysical
Research, 105, 2005, No. E8, 20,307-20,331.
10. Мобильная лаборатория на Луне Лунаход-1 // 1987, Том 11, Москва, Наука, 121 с.
11.Melosh H.J., Freed A.M., Johnson B.C. The Origin of Lunar Mascon Basins // Science, 2013, Volume 340, Issue 6140,
pp. 1552-1555.
12. Muller P.M., Sjogren W.l. Lunar gravimetry and mascons. // Appl. Mech. Revs., 1969, v.22, N 3, p. 955-959
13. Racca G.D.,Foing B.H. Geophysical Research Abstracts // 2002, 4, Abstract A-01152.
14.Сагитов М.Н. Лунная гравиметрия. Москва «Наука», 1979, 403 с.
15.Шевченко В.В. Современная селенография, Москва, «Наука», 1980, 288 с.
16.Shevchenko V.V., Pinet P., Chevrel S., Pugacheva S.G., Daydou Y. Lunar photometry and composition of ejecta terrains
with AMIE/SMART-1// Proc. 38th Vernadsky-Brown Microsymp., Moscow, 2003, c.1112-1113.