Мини-лунотрясения
 

Эти мини-лунотрясения (их можно назвать солнечными) очень слабы по сравнению с приливными (земными). Но они происходят по всей поверхности Луны, а ее площадь почти такая же, как Африки. В итоге набирается очень много слабых толчков, и их общая энергия оказывается соизмеримой с сейсмической энергией приливных лунотрясений.

Установка сейсморазведочных сейсмометров в районе Тавр-Литтров десять раз включалась по команде с Земли и регистрировала в течение четырехдневных сеансов тепловые сотрясения. Так как сейсмометров было четыре, удалось локализовать очаги 140 эпицентров и даже построить карту мини-сейсмичности в радиусе 300 м от станции. Оказалось, что очаги находятся не только в малых кратерах, но и на относительно ровных участках поверхности.

Обнаруженный феномен позволяет иначе оценить метаморфозу лунной поверхности. Основные формы ее рельефа были созданы ударами метеоритов. Бесчисленные кратеры всевозможных масштабов — память о былых эпохах жизни Луны, когда ее поливал метеоритный ливень. Теперь поток метеоритов иссяк, и казалось, что практически нет сил, способных менять облик ее поверхности. Действительно, таких энергичных агентов эрозии, как воздушные вихри и водные потоки Земли, на Луне нет.

Теплопроводность реголита, сейсморазведка
 

Теплопроводность реголита оказалась очень низкой и сильно зависящей от температуры. Таким образом, реголит Луны, образовавшийся в результате перемалывания обломочных пород ударами метеоритов, представляет своеобразное «одеяло», играющее роль термостата для целой планеты и уменьшающее потерю ее тепла, к тому же он еще и прекрасный электроизолятор.

Величина теплового потока оказалась в лунных Апеннинах в I полтора раза выше, чем в районе Тавр-Литтров, и в среднем несколько больше, чем для Земли, если пересчитать земной поток к объему Луны.

Типовая сейсмическая станция в районе Тавр-Литтров поставлена не была. Но сейсмометры, с которыми проводилась сейсморазведка, еще долго записывали сейсмические события, происходящие неподалеку.

Сначала эти записи были непонятны, они не были похожи ни на падения метеоритов, ни на приливные лунотрясения. На этот раз что-то щелкало недалеко и несильно, но регулярно.

Толчки пробуждались через 48 часов после восхода Солнца, точнее, после пересечения станции линией терминатора и продолжались весь лунный день, длящийся две земные недели. Ночью они становились реже и постепенно прекращались. Было обнаружено несколько десятков типов записей. Каяодая отмечалась не реже раза в месяц, строго в моменты, когда Луна находилась в одной и той же фазе, и записи совершенно не меняли свой вид от раза к разу. По-видимому, очаги располагались где-то недалеко от станции, но природа их была неясна.

Вскоре обнаружилось, что толчки из некоторых очагов хотя и сохраняют форму, но каждый следующий начинается чуть позже, как будто их источник смещается по отношению к станции метров на 10—20 за время одного оборота Луны. И тогда пришла отгадка: непривычные сигналы — тепловые лунотрясения. В поверхностном слое Луны из-за сжатия и расширения пород возникают термоупругие напряжения. Породы трескаются или же грунт соскальзывает по склонам кратеров — следующий раз источник оказывается на несколько ином расстоянии. Такое объяснение подтверждает и тот факт, что на станции в районе лунных Апеннин, где рельеф контрастнее, такие сотрясения тоже фиксировались, и их оказалось на порядок больше.

Аполлон-17
 

В месте посадки «Аполлона-17» был проведен сейсморазведочный эксперимент, рассчитанный на освещение больших глубин, чем в экспедициях «Аполлона-14» и «Аполлона-16». На профили было поставлено четыре сейсмоприемника и взорвано девять зарядов весом 60 г — 2,7 кг на расстоянии от 100 м до 3 км. Как и в районах Фра-Мауро и Декарта, новый район исследования Тавр-Литтров сверху покрыт тонким слоем реголита, подстилаемым брекчиями. Благодаря использованию удара от падения лунного модуля в десяти километрах от сейсмометра удалось заглянуть в «покрывало» Луны глубже, чем раньше.

Скорость пробега сейсмических волн с глубиной увеличивается ступеньками, сначала до 1,2 км/сек на глубине 250 м, а на глубине 1175 м принимает нормальное для кристаллических пород значение 4 км/сек. Предполагается, что два верхних слоя представляют лавовые потоки базальтового состава, разбитые трещинами с внедрениями обломочного материала. Коренные породы горного массива, судя по скоростям, измеренным в лаборатории, имеют состав, близкий к земным породам габбро, богатым анортозитом.

Лабораторное изучение рыхлого лунного покрова показало его высокую сейсмическую добротность, т. е. малую поглощающую способность, что связано с глубоким вакуумом и сухостью.

В районе Тавр-Литтров были проведены прямые измерения теплового потока на поверхности Луны. Как и в точке посадки «Аполдона-15» астронавты пробурили скважины, вставили фиброгласовые трубки и поместили в них термозонды для измерения температуры и теплопроводности.

Обработаны данные за три с половиной года по первой и за два года по второй станциям. Сигналы начинали анализироваться лишь через месяц после запуска приборов, когда установилось их тепловое равновесие с реголитом. Несмотря на огромные тепловые контрасты на поверхности, суточные температурные изменения практически затухали на глубине 0,8 м, тогда как годовые вариации температуры ощущались на всех исследованных глубинах. По команде с Земли на 36 часов включались электронагреватели. По тому как росла температура, определяли величину теплопроводности, а по ней и температурному градиенту рассчитывался тепловой поток.

Сейсмический разрез коры Луны
 

Сейсмический разрез коры Луны по сравнению с различными земными (континентальным, переходным, океаническим) — самый «низкоскоростной»: на одних и тех же глубинах скорости на Луне меньше, чем па Земле. Состав же пород довольно близкий к земным, просто на Луне на соответствующих глубинах меньше давление.

То, что так сложно на Земле — взять керн из мантии (что никак пока гае удается — самая глубокая скважина не намного превзошла две тысячных доли радиуса планеты), совершили на Луне «естественные буры» — метеориты.

Их удары вырвали куски кристаллических пород из тела лунной коры. Не будь их, астронавты ограничилась бы образцами рыхлого липкого грунта — реголита. Кстати, бурить на Луне на удивление трудно. Вроде бы — рыхлая поверхность, поставь трубку под углом — не удержится, как в сыпучем песке. А начнешь бурить — частички, не смоченные водой и не проложенные воздушными подушками, жестко трутся, оказывая (сопротивление буру, во всяком случае пока удалось пробурить ливень 2,7 м.

Граница кора
 

Граница кора — мантия в Океане Бурь оказалась на глубине 65 км. Мощность по земным меркам не маленькая, подобная имеет место на Земле лишь в районах Памира и Тянь-Шаня, где горам соответствуют «корни» в коре.

В верхах лунной мантии скорость звуковых волн превышает первую космическую (земную) 8 км/сек, по аналогии предполагают, что это связано со сменой состава пород на ультраосновные, богатые оливином, окислами железа и магния.

Разрез коры Луны, построенный в юго-восточной части Океана Бурь» является опорным. По косвенным данным — измерениям силы тяжести, топографии поверхности — полагали, что на континентах Луны, и особенно па обратной стороне, кора должна быть толще. Изощренный анализ с помощью ЭВМ записей лунотрясений, происходящих глубоко в недрах, позволил ученым получить картину строения коры Луны в континентальном районе Декарта. Она оказались мощнее — 75 км и — что примечательно — выделена такая же граница, что и в Океане Бурь на глубине 25 км.

К центру Луны
 

В результате всех экспедиций было записано десять «искусственных» толчков на эпицентральных расстояниях от 67 до 1050 км, и по временам пробега волн (в соответствии с правилами, принятыми в сейсмологии) был построен первый скоростной разрез коры Луны.

Конечно, по земным меркам десять точек — детальность небольшая, поэтому, как говорят, такое построение неоднозначно, т. е. можно предложить несколько вариантов разреза. Этот вопрос изучили и построили всю полосу разрезов, и первый разрез оказался внутри полосы. Значит, этот разрез, как один из возможных вариантов, правомерен. Он и похож и непохож на земной. Похож тем что, как и на Земле, здесь выделяется лунная кора, отграниченная от мантии резкой границей, на которой скорость скачком превышает первою космическую — 8 км/сек. На Земле это граница Мохоровичича (однако еще не объявлен конкурс на ее лунное название).

По мере накопления сейсмограмм картина и усложнилась, и прояснилась одновременно: удалось «подсечь» не только заветную границу коры и мантии, но и выделить в коре два слоя. В верхнем слое скорость волн стремительно растет с глубиной (по мере закрытия трещин и макродефектов под давлением) от 100 м/сек в реголите до нормальной базальтовой (около 5 км/сек) на глубине 10 км. Далее скорость растет плавно, как на лабораторных кривых для базальта. Но на глубинах 23—26 км что-то меняется в лунной коре, скорость «подпрыгивает» на 12%. Ученые спорят, что именно. Одни полагают, что меняется состав пород, от базальтового к габбро-анортозитовому (которым свойственны сейсмические скорости 7 км/сек). Именно такие значения получены в нижнем слое коры. Но скорее состав коры всюду габбро-анортозитовый, а увеличение скорости вызвано закрытием пор под давлением порядка 1 килобара. Базальтовая «нашлепка» не превышает по толщине первых километров.

Сейсморазведочный эксперимент
 

Известно, что на Земле именно верхние слои наиболее неоднородны и разнообразны по свойствам: в морских илах (смеси твердой, жидкой и газообразной) скорости почти такие же низкие, как в лунном реголите, в глинисто-песчаных осадочных толщах они превышают 2 км/сек, а в местах выхода кристаллических массивов сразу достигают 5—6 км/сек.

Нетерпеливо ждали ученые нового сейсморазведочного эксперимента в совершенно новом континентальном районе на плоскогорье севернее кратера Декарт, находящемся за 1000 км к востоку от Фра-Мауро. Его провела экспедиция в континентальный район кратера Декарта, где ученые рассчитывали найти свежие следы вулканизма.

Сейсморазведка принесла новости: континентальный разрез верхних пород Луны на удивление похож на разрез из Моря Познанного Океана Бурь — те же (в пределах точности определения) мощности и скорости в слоях. Наиболее естественное объяснение — общность природы слоев, несмотря на явное различие состава пород (тяжелые базальты в Океане Бурь, легкие габбро-анортозиты на континенте). Верхний слой — реголит, измолотый в порошок, второй слой — брекчии, т. е. обломки и осколки, разлетавшиеся на сотни километров при ударах многочисленных и достаточно

крупных метеоритов.

Сейсмологи умеют определять одно свойство пород - скорости пробега в них сейсмических волн. Чтобы назвать породу, определить ее состав, ода сравнивают эти скорости с лабораторными измерениями в разных породах, помещая их в естественные условия высоких температур и давлений.

Добротность лунного материала
 

Так называемая добротность лунного материала (величина обратная степени ослабления колебаний) в коре Луны в 30—100 раз больше, чем в земной коре, и даже намного выше, чем в мантии. Это объясняется тем, что на Луне нет воздуха и воды, и потому ничтожно малы неупругие тепловые потери. Действительно, стоило поместить земную породу в лабораторный вакуум, ее добротность возросла в 50 раз.

Вот и получается, что волны от ударов космических аппаратов, падений метеоритов и лунотрясений бегут в рыхлом, неоднородном, низкоскоростном «одеяле» Луны, рассеиваясь, задерживаясь, многократно отражаясь, почти не теряя упругую энергию. И гудит Луна часами в ответ на каждый вопрос сейсмологов, рассказывает о своих тайнах. Рассказ этот зашифрован в сейсмограммах. Анализируя их, сейсмологи решают два основных вопроса: как устроена Луна и насколько она активна.

В месте посадки одной из следующих экспедиций были установлены стандартный сейсмометр и другие приборы. Был проведен сейсморазведочный эксперимент.

В результате удалось подробнее «увидеть» устройство верхней 400-метровой толщи. Оказалось, что верхняя часть Луны слоиста. В верхнем 10-метровом слое продольные волны бежали со скоростью 100 м/сек, в следующем, мощностью от 20 до 75 м, они разгонялись почти до скорости звука в земном воздухе (300 м/сек), а еще глубже — превышали ее (390 м/сек).

Реголит
 

Реголит имеет очень низкие скорости пробега волн, это знали еще по замерам автоматов — 40 м/сек. Когда с такой скоростью дует ветер в Антарктиде, по ледяному насту не пройти. Но для упругой волны это очень мало — в верхнем слое лунной пыли она не бежит, а просто плетется.

Но где-то глубине (потом это подтвердилось новыми экспериментами — ударами космических аппаратов) лежит слой твердых кристаллических пород. Как известно из земного опыта, в случае такого строения среды возникает своеобразный тип волн: поверхностные, у которых время пробега зависит от периода колебаний. Так вот, расчеты показали, что для специфического лунного разреза при низкой скорости пробега волн в реголите и высокой — в кристаллическом фундаменте длинные волны могут опередить короткие на дистанции 135 км на 74 минуты — вот и объяснен первый час колебаний.

По тут накладывается и еще один эффект. Верхний низкоскоростной слой Луны представляет сейсмический «канал», попав в который волны оказываются в своеобразном плену — они бегут по нему, многократно отражаясь от кровли и подошвы. Такие эффекты известны на Земле: это «подводный звуковой капал» в океане, на использовании которого основана служба сверхдальней связи и спасения для мореходства. На Луне ситуация при распространении волн в канале еще благоприятнее.

Аполлон-13
 

Чтобы найти правильное объяснение, нужен новый эксперимент, новые сейсмограммы. Новая запись была получена через пять месяцев, когда к Луне стартовал корабль «Аполлон-13».

Высадка на Луне не удалась. Но даже эта экспедиция в сейсмическом смысле не была безрезультатной — третья ступень ракеты «Сатурн-5», управляемая с Земли, врезалась в поверхность Луны в 135 км от сейсмометров «Аполлона-12». Вторая сейсмограмма была не менее удивительной — колебания на ней продолжались... четыре часа.

Группа опытных сейсмологов предложила вариант объяснения странных записей.

Верхний слой Луны очень трещиноват и неоднороден из-за ударов метеоритов, «перепахавших» его, как садовник огород. Сейсмические волны, пробегая в таком слое, рассеиваются во все стороны, и в результате сигнал растягивается. Теоретически крива» для «случайного блуждания» частиц в броуновском движении оказалась очень похожей на экспериментальную лунную. Чтобы еще раз проверить эту гипотезу, провели такой опыт. В земной лаборатории с помощью высокочастотных ультразвуковых волн «просвечивали» стальную пластинку с хаотически расположенными прорезями (имитация трещин в Луне). И что же — лабораторная сейсмограмма напомнила лунную.