Введение к работе
Актуальность проблемы.
Проблема происхождения Земли и планет и построение моделей их внутреннего строения являются фундаментальными задачами науки.
В настоящее время не вызывает сомнений, что для решения проблемы образования Земли, ее начального состояния и эволюции исследование Луны имеет важное значение. В Солнечной системе Луна является единственным космическим телом, кроме Земли, для которого были получены сейсмические данные. Первые сейсмические эксперименты на Луне проводились в 1969 г. космическим аппаратом «Аполлон-11». Затем сейсмические станции устанавливались экспедициями «Аполлон-12,-14,-15,-16 и -17». В результате была построена сейсмическая модель Луны. После выполнения программы «Аполлон» в исследованиях Луны с помощью космических аппаратов произошла продолжительная пауза. В настоящее время интерес к изучению нашего естественного спутника возобновился. Этому способствовали две очень успешные миссии "Клементина" в 1994 г. и "Лунар Протектор" в 1998-1999 годах. В результате этих миссий наука о Луне получила дальнейшее развитие. Стало ясно, что наружный слой Луны имеет региональное строение. Лазерное зондирование Луны на протяжении нескольких десятилетий позволило определить постоянную прецессии, и таким образом, точное значение момента инерции. Однако, несмотря на улучшенное значение момента инерции, модели внутреннего строения Луны все еще обладают заметными неопределенностями. В конце 1990-х годов в России обсуждался проект о посылке космического аппарата (КА) к Луне. Одной из основных задач было определение спектра собственных колебаний Луны. Собственные колебания планет и спутников представляют особый интерес для исследования их внутреннего строения, так как при обработке данных не требуется знание местонахождения источника и времени события, и, следовательно, достаточно иметь запись на одной станции.
ІЄЛОК
Наряду с Луной важный вклад в понимание проблемы образования Земли дадут исследования Марса. Поэтому не удивительно, что в исследованиях Солнечной системы при помощи космических аппаратов ему уделялось и уделяется большое внимание. Считается, что исследования Марса внесут крупный вклад в решение космогонической проблемы. По массе Марс в 10 раз меньше Земли, хотя по оценке распределения нелетучей компоненты (силикаты, железо-никель) в Солнечной системе должен был бы превосходить по массе Землю примерно в два раза Малая масса Марса объясняется эффектом Юпитера. Влияние Юпитера прнвапп к пйпємрігщтп;»" ^у^.» ш
РО*. НАЦІОНАЛЬНА* 1
«И&ЛИетеКА 1
CBewHW ГВа !
различных зон питания растущих планет земной группы; в этом смысле образование Земли и Марса было многокомпонентным. Именно в модели внутреннего строения Марса должна ярче всего проявиться двухкомпонентность.
Проблемы, связанные с изучением внутреннего строения и химического состава планет-гигантов также представляют большой научный интерес. Результаты, которые получаются из построенных моделей внутреннего строения планет-гигантов, и данные, которые используются при построении этих моделей, тесно связаны с различными научными дисциплинами, такими как: физика высоких давлений, происхождение Солнечной системы, физические и химические процессы в протопланетном облаке, и расчеты обилий космохимических элементов.
Полеты к планетам - в частности, к планетам-гигантам - придали новый импульс разработке сценариев происхождения Солнечной системы, Земли, планет и спутников. Построенные модели планет-гигантов являются важными новыми граничными условиями для этих проблем. В планетах группы Юпитера сосредоточена почти вся планетная масса и подавляющая часть момента количества движения Солнечной системы. Поэтому изучение планет-гигантов является ключевым вопросом в проблеме происхождения и эволюции Земли и планет Солнечной системы.
Проблема расширения базы данных наблюдений для Юпитера и Сатурна остается актуальной задачей. Наиболее перспективно было бы зарегистрировать и идентифицировать собственные моды Юпитера и Сатурна. Эти данные позволили бы получить новую информацию о недрах планет, подобно тому, какой огромный вклад внесла гелиосейсмология в понимание недр Солнца. Это вывело бы проблему на уровень гелиосейсмологии.
Уран и Нептун, находясь на периферии Солнечной системы, "хранят" информацию о составе внешних областей протопланетного облака и процессах, приведших к формированию планет. В последние годы благодаря пролету КА Вояджер и использованию больших телескопов и чувствительных приемников излучения удалось заметно пополнить данные наблюдений об обеих планетах.
Исследование планет Солнечной системы с целью понимания их происхождения и поиска признаков жизни на других космических объектах -является одним из центральных направлений современной науки. В настоящее время планируются полеты практически ко всем планетам Солнечной Системы, включая полеты к астероидам и кометам. Таким образом, построение моделей планет и разработка методов их исследования является актуальной задачей современной науки.
I » ^-ЧМ-АГОШЬ/ > "* "
.' *!>* <;. , 4
Цели исследования.
Основной задачей работы является построение моделей внутреннего строения планет и расчет спектра собственных колебаний. При исследовании планет центральной задачей геофизики является построение модели внутреннего строения. На первых шагах разрабатывается сферически симметричная модель, когда плотность р (г) и давление р (/) зависят только от радиуса
Важной задачей является построение сферически-симметричных моделей внутреннего строения Луны и Марса, которые, как и в случае Земли, могли бы служить нулевым приближением - отсчетными моделями. Из-за сильной неоднородности наружных слоев Луны и Марса и ограниченного числа сейсмометров, которые могут быть установлены на их поверхности, использование объемных волн для построения модели внутреннего строения нулевого приближения затруднено. Для этой цели больше подходят данные о спектре собственных колебаний и поверхностных волнах.
Для суждения о возможности применения метода собственных колебаний для исследования недр Луны и Марса, необходимо, исходя из имеющихся сведений о их сейсмичности и чувствительности современной аппаратуры, оценить с какими амплитудами будут возбуждаться различные типы собственных колебаний при луно- и марсотрясениях, а также как все это зависит от глубины очага и природы сил, действующих в нем.
Расчет спектра собственных колебаний Юпитера и Сатурна необходим в преддверии их экспериментальной регистрации для идентификации и интерпретации собственных мод.
Основные задачи исследования.
В рамках сформулированных главных целей исследования решаются следующие задачи, которые можно подразделить на два этапа - построение моделей внутреннего строения и исследование диагностических свойств собственных колебаний для исследования недр этих планет, а также оценка амплитуд этих колебаний:
Следуя опыту, применяемому для изучения внутреннего строения Земли, модель Луны может улучшаться в рамках метода теории возмущений. Одна из моделей Луны принимается за исходную и рассчитываются таблицы, позволяющие переходить к любым близким моделям с помощью малого параметра. Такой метод позволяет не только улучшить исходную модель, но и рассмотреть вопрос о затухании собственных колебаний и поверхностных волн.
Рассматривается вопрос о зондировании недр Луны методом
собственных колебаний, используя данные о сейсмичности Луны по данным
программы "Аполлон". Рассчитываются амплитуды крутильных и
сфероидальных колебаний для источников, расположенных на различной
глубине и с разными механизмами лунотрясений, на примере одной из
характерных моделей.
Используя данные о вековом ускорении Фобоса, оценивается среднее
значение диссипативного фактора <3ц(г) недр Марса. Для этой цели
рассчитываются весовые функции для приливов второго и третьего порядков,
свертка которых с Q^(r) определяет угол запаздывания приливов, вызьшаемых
Фобосом, и соответственно вековые ускорения Фобоса.
Изучение влияния водорода в ядре на модели внутреннего строения Марса.
Исследование возбуждения собственных колебаний Марса и возможности их регистрации будущими космическими миссиями.
Построение моделей внутреннего строения планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) и оценка массы водородо-гелиевой компоненты, потерянной при их образовании и не вошедшей в их состав.
Расчет спектра собственных колебаний Юпитера и Сатурна.
Научная новизна работы.
Рассчитаны таблицы, позволяющие переходить к любым близким моделям Луны с помощью метода малого параметра
Рассчитаны амплитуды крутильных и сфероидальных колебаний Луны для источников, расположенных на различной глубине и с разными механизмами лунотрясений.
Используя данные о вековом ускорении Фобоса, оценено среднее значение диссипативного фактора Q^r) недр Марса,
Изучено влияние водорода в ядре на модели внутреннего строения Марса.
Исследовано возбуждение собственных колебаний Марса и возможности их регистрации будущими космическими миссиями.
Построены пятислойные модели Юпитера и Сатурна с двухслойной молекулярной оболочкой (внешняя водородо-гелиевая оболочка, внутренняя водородо-гелиевая оболочка, металлическая водородо-гелиевая оболочка, слой осевшего гелия и ядро) и трехслойные модели Урана и Нептуна.
Выполненное моделирование показало, что состав Юпитера и Сатурна отличается от солнечного, именно, при своем образовании Юпитер не добрал
~2-5, а Сатурн -11-15 планетных масс водородо-гедиеэой компоненты. Таким образом, формирование планет-гигантов, должно было идти по схеме Шмидта, через образование зародышевых ядер, а не по схеме Лапласа. Массы самих зародышевых ядер Юпитера лежат в пределах (3-3.5)М и Сатурна - (3.5-8)М. Рассчитаны детальные теоретические спектры собственных колебаний для современных моделей Юпитера и Сатурна.
Научная н практическая значимость.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке космических программ исследования планет и Луны и интерпретации результатов. Методы, разработанные для сейсмических исследований Луны, могут быть также применены и при сейсмических экспериментах на других спутниках планет Солнечной Системы и астероидов. Развитые в диссертации методы исследования Марса могут быть использованы для будущих сейсмических исследований Меркурия и Венеры. Построенные модели внутреннего строения планет служат дальнейшим шагом к пониманию процессов образования планет и их эволюции. Поскольку недра планет, и в особенности планет-гигантов, являются естественными лабораториями высоких давлений и высоких температур, то полученные в диссертации результаты могут быть использованы в физике сверхвысоких давлений и температур.
Личный вклад автора.
Постановка большинства задач формулировалась автором при совместных обсуждениях с В.НЖарковым. Автором самостоятельно разработаны методы реализации задач и создано программное обеспечение, которое использовано для их решения.
Структура и объем диссертация.
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. В работе рассмотрен ряд отдельных вопросов, важных для освещения основного материала диссертации. Для удобства изложения часть из них представлена в виде приложений.
Общий объем диссертации составляет 359 страниц, в том числе 116 рисунков и 77 таблиц. Список литературы включает 302 наименования.
Приложение 1 содержит вывод формул для расчета амплитуды крутильных и сфероидальных колебаний Луны и Марса для различных механизмов очага.
Приложение 2 описывает метод расчета сейсмических скоростей в мантии и ядре Марса вдоль пробной марсотермы при соответствующих давлениях.
Апробация и публикации.
Основные положения и результаты работы докладывались на: Генеральных Ассамблеях Европейского Геофизического Общества (EGS) (Барселона, 1989; Копенгаген, 1990; Висбаден, 1991; Эдинбург, 1992; Висбаден, 1993; Гренобль, 1994; Гамбург, 1995; Гаага, 1996; Вена, 1997; Ницца, 1998; Гаага, 1999; Ницца, 2000; Ницца, 2001); Конгрессе Европейского Геофизического Союза (EUG) (Страсбург, 1993); 26-ом Ежегодном собрании Отделения Планетарных Наук Американского Астрономического Общества (Вашингтон, 1994); на совещании рабочей группы INTERMARSNET (Капри, 1995); на Европейской встрече «Система Юпитера после «Galileo», система Сатурна перед Cassini-Hvygens (Нант, 1998); 33 Асссамблее COSPAR (Варшава, 2000); Vernadsky-Brown микросимпозиум (Москва, 1993; Москва, 2001); на семинарах обсерватории Meudon (Франция, 1994), университета Munster (Германия, 1999) и семинаре ИКИ РАН (2003).
По теме диссертации опубликована 31 печатная работа.
Благодарности.
Автор выражает глубокую благодарность своему учителю В.Н.Жаркову за поддержку, внимание и сотрудничество, совместные исследования с которым сделали возможным выполнение настоящей работы.
