Dear Юра, доброе утро



Скачать 405.03 Kb.
страница2/3
Дата22.06.2019
Размер405.03 Kb.
1   2   3

9. Будет предложена и апробирована модель гравитационного, механического и теплового взаимодействия ядра, мантии и коры, построен термодинамический профиль ядра, мантии и коры при захвате, прохождении и выходе из спин-орбитальных резонансов в ранней истории Земля – Луна, предложена картина раннего лунного вулканизма и образования системы первичных масконов на обратной стороне Луны.

V. Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем

В настоящее время Луна является объектом исследования по многим космическим экспериментам и центром пристального внимания ученых, как в области астрономии, так и планетологии. В программу исследований включается изучение тонких эффектов вращательного движения (физической либрации), а также многообразия внутреннего строения (Gusev et al., 2003). На сегодня уже накоплены и продолжают накапливаться интереснейшие данные по динамике и внутреннему строению Луны, полученные в результате самых разнообразных наблюдений и космических экспериментов. К ним относятся: миссия Клементины (1994) и Лунар Проспектора (1998–1999), обработка результатов лазерной локации Луны (ЛЛЛ), реализуемой в течение 35 лет, Европейского лунного спутника СМАРТ-1, запущенного в августе 2003 года. Японские космические эксперименты Лунар-А, СЕЛЕНЕ, ILOM планируемые на 2006–2010 годы, также существенно обогатят информацию о Луне.

Япония запустит лунный зонд СЕЛЕНА в 2007 финансовом году, который будет иметь 15 научных инструментов. Они будут исследовать распространение химических элементов на лунной поверхности, минеральный состав, топографию, геологическую структуру, гравитационное и магнитное поля, структуру лунной коры и лунной поверхности. Одна из его главных целей лунных миссий состоит в том, чтобы получить ясную картину внутреннего строения Луны с помощью точного измерения гравитационного поля и топографии обратной стороны Луны. В конечном итоге, исследования СЕЛЕНЫ приблизят нас к пониманию происхождения и эволюции Луны.

Другим источником информации о структуре внутреннего строения Луны является изучение ориентации лунного вращения в пространстве, физическая либрация. Японская группа предложила план (ILOM-ПРОЕКТ) (Hanada et al.,., 2000, 2005, Heki et al., 2000), проект по размещению в полярной области оптического телескопа (D=20 см), чтобы наблюдать ориентацию Луны с точностью 1 (милли арксекунд дуги) mas. Амплитуда и период ее изменений в значительной степени определяются внутренним строением Луны, динамическим сжатием полной Луны и ее ядра, плотностью и размером ядра. Выполнение этих планов может вывести селенодезию на уровень, сравнимый с геодезией Земли. Однако, анализ данных в этих новых проектах предъявляет повышенный требования к описанию сложной динамической и термодинамической модели внутренней структуры Луны.

Лазерная локация Луны позволила существенно улучшить точность измерений положения Луны. Это позволило, в первую очередь, выявить такие тонкие эффекты во вращении Луны, как свободные либрации малой амплитуды. Накопление данных по ЛЛЛ открывает еще большие перспективы в изучении особенностей вращения Луны. Кроме того, появилась возможность более точной качественной и количественной оценки вклада приливных эффектов в динамику системы Земля-Луна(Peale, 1999). В результате вновь усилился интерес к моделированию эволюции системы Земля-Луна (Canup,2004). Исследование динамической истории системы Земля-Луна можно рассматривать как одно из направлений в изучение важнейшей научной проблемы – как сформировалась эта система?

Одним из важных факторов, способствующих построению аналитической теории вращения Луны и других планет, явился революционный прорыв в области компьютерных и информационных технологий. В настоящее время существует целый ряд универсальных систем для работы с аналитическими формулами, такие как MACSYMA, REDUCE, MAPLE, MATHEMATICA и др. Однако эти системы предназначены для манипулирования с широким классом математических объектов и, как следствие, они недостаточно эффективны в качестве специализированных систем, ориентированных на конкретную предметную область. В частности, универсальные системы не имеют быстрых средств для работы с тригонометрическими рядами, количество членов в которых может достигать многих десятков и сотен тысяч, что характерно для построения высокоточных аналитических теорий небесной механики. Поэтому большое значение отдается поддержке и разработке специализированных процессоров, способных решать указанные проблемы и ориентированных на проектируемую задачу.



1. Спин-орбитальная вековая эволюция и физическая либрация многослойной Луны.

В свете современных требований и возможностей изучения Луны представляется весьма важным и необходимым построить новую аналитическую и/или полуаналитическую теорию (Баркин, 1989, Petrova, 1996) для спин-орбитального движения Луны. Эта теория должна быть пригодна для уточнений соответствующих параметров гравитационного поля, характеристик резонансных либраций, чисел Лява, коэффициента добротности Q, вязкости мантии и ядра, характеризующих внутреннюю диссипацию, характеристик пограничной зоны мантия-ядро и других величин, определяющих внутреннюю и внешнюю структуру спутника. Все это даст возможность получить точное решение, аналогичное прецессионно-нутационным рядам, описывающим вращение Земли. Такая теория физической либрации Луны может быть положена в основу лунного астрономического ежегодника (Petrova, 1997; Williams et al., 2003).

Особое значение приобретает исследование свободной либрации. С одной стороны, из наблюдений ФЛЛ обнаружена заметная диссипация лунного вращения, и, как результат, свободные колебания должны бы к настоящему времени затухнуть. С другой стороны, эти же наблюдения показывают их присутствие в современном вращении Луны. Поэтому необходимо принимать во внимание спин-орбитальные взаимодействия, в частности, резонансное взаимодействие с Венерой, а также рассмотрение двух- и/или трехслойной модели нетвердой Луны с приливной или турбулентной диссипацией в мантии и ядре, что может быть сделано в рамках Гамильтонова подхода, применяемого для описания вращения Земли (Gusev, Petrova, 2003). Определение периодов и амплитуд свободных либраций позволит сделать вывод о наличии жидкого ядра Луны, оценить его размеры, форму, геофизический состав, тепловой профиль.

Вращение Луны чувствительно к ее внутреннему строению. Численные модели физической либрации Луны (Williams et al., 1994, 1997, 2001; Bois, 1995, 2000; Krasinsky; 2002), удовлетворяющие современным данным лазерной локации, обязательно включают сложную внутреннюю стратиграфию лунного тела. Для аналитических теорий это сделать гораздо сложнее. Тем не менее, такая необходимость существует. Основное преимущество аналитического подхода в теории ФЛЛ является возможность разделения вынужденной и свободной либрации. Высокоточные данные лазерной локации Луны дают для этого прекрасную наблюдательную основу. Феррандиш и Баркин (Ferrandiz, Barkin, 2001) разработали аналитический метод для учета взаимодействия гидродинамической и упругой оболочек Земли с Луной и Солнцем, который затем был эффективно применен для изучения вращения Луны. При этом аналитический метод описания резонансного вращения твердой Луны (Баркин, 1989) получил обобщение и развитие на случай двухслойной модели Луны.

Другой важной проблемой, которая может быть исследована теми же методами, являются энергетические изменения, связанные с потенциально различными эндогенными процессами, управляемыми Солнцем, Землей и планетами (Ferrandiz, Barkin, 2001). Особый интерес представляют процессы на границе жидкого ядра и мантии, подверженные разному воздействию на оболочки Луны со стороны солнечно-земных приливных моментов.

Предварительные исследования по проблеме либрации Луны, выполненные участниками проекта (Barkin, Ferrandiz, 2003, 2004; Petrova, Gusev, 2004), являются пионерскими, опираются на специальные формы уравнений движения и методы, разработанные авторами. Разработанные методы и подходы наиболее адекватно соответствуют целям и задачам японских проектов исследования Луны по сравнению с имеющимися теориями ФЛЛ.

Либрационные зффекты современной Луны существенно определяются структурой пространства лунных динамических параметров, сформировавшихся в процессе длительной эволюционной мульти-резонасной истории системы Земля-Луна.

Систематическое моделирование эволюции вращательного и орбитального движения системы Земля-Луна началось после основополагающей работы MacDonald’a (1964), где впервые были выписаны и численно проинтегрированы уравнения, описывающие вращение Земли и движение Луны по орбите с учетом приливных эффектов. В дальнейшем в этом направлении работали P.Goldreich, W.M.Kaula, F.Mignard и многие другие специалисты. В России эволюция лунной орбиты рассматривалась Ю.В.Баркиным, Н.Н.Сорокиным, Е.Л.Рускол, В.М.Киселевым, В.Н.Жарковым, Г.А.Красинским, Ю.Г.Марковым, Л.В. Рыхловой.

Длительное время исследование эволюции лунной орбиты проводилось на основе усредненных уравнений, не учитывающих резонансные эффекты (в частности, долговременного захвата движений в резонанс). Это можно объяснить отсутствием на тот момент строгой математической теории резонансных явлений в многочастотных системах, разработанной в конце 80-ых годов в работах А.И.Нейштадта и только сейчас постепенно получающей распространение в прикладных исследованиях. Кроме того, мощность компьютеров даже в относительно недавнем прошлом не позволяла проводить интегрирование не усредненных уравнений на длительных временных интервалах.

Первым признаком изменения ситуации стало появление работы J.Touma и J.Wisdom’а (1998) об «эвекционном» резонансе как возможном механизме быстрого изменения наклонения орбиты Луны к экватору Земли на начальном этапе истории системы Земля-Луна. Таким образом J.Touma и J.Wisdom смогли решить известную проблему «начального» наклонения орбиты Луны: в большинстве космологических теорий после своего формирования Луны должна двигаться по круговой орбите, тогда как интегрирование в обратном времени уравнений приливной эволюции показывает, что вплоть до достижения границы области Роша имеет величину не менее 10 градусов (в качестве одного из альтернативных решений данной проблемы можно отметить предложенную группой S.Ida из Токийского университета гипотезу о сближении пары Земля-Луна с протопланетой, имеющей размер Марса).

В рамках данного проекта предполагается совершить следующий шаг в направлении, указанном работой J.Touma и J.Wisdom и провести систематическое исследование других резонансов во вращательно-поступательном движении системы Земля-Луна на разных этапах ее динамической истории. Предполагаемое в рамках проекта изучение резонансных явлений будет опираться на строгую математическую теорию резонансного захвата, предложенную А.И.Нейштадтом. Результаты Нейштадта в настоящее время признаны всеми специалистами и могут считаться классическими.

Существует еще одна интересная возможность глубокой связи орбитальной истории и лунной геофизики при резонансном режиме. Дифференциальное вращение лунного ядра, вызванное солнечно-земными приливными эффектами, совместно с приливным вековым замедлением вращения всей Луны может вызвать спин-орбитальный резонанс (Greff-Lefftz et al., 1999) в ранней истории вращения Луны. Энергия спин-орбитального движения за счет эффектов трения на границе ядро-мантия может преобразовываться в тепловую энергию, которая становится неустойчивой на границе ядро-мантия по отношению к образованию мантийных плюмов, увеличению температуры лунного ядра, усилению генерации начального магнитного поля (Sponh et al., 1997, 2001; Stegman et al., 2003). В результате также может произойти плавление вещества в недрах Луны (океан магмы). Следствием этого бурного этапа могут быть крупномасштабные эпизодические образования в лунной коре, обновление геохимического и поверхностного резервуаров (Kuskov et al., 2002) и относительно быстрые изменения первичного магнитного полюса Луны (Runcorn, 1996). Наиболее ярким примером подобных явлений в настоящее время является вулканизирующий Ио – спутник Юпитера – прообраз ранней резонансной горячей Луны.



2. Геодинамика лунного ядра.

Исследования последних десятилетий однозначно поставили перед учеными проблему существования и происхождения лунного ядра: есть ли оно, какова его структура, химический состав и агрегатное состояние. Эти вопросы непосредственно связаны с глобальной проблемой происхождения и эволюции системы Земля-Луна (Canup , 2004).

Существует несколько аргументов в пользу существования у Луны железного ядра небольшого размера, до 600 км, с малой примесью серы и/или кислорода и горячей вязкой нижней мантии (Gusev et al., 2002, 2003):

1. Структура гравитационного поля Луны, выявленная из сопоставления высокоточных траекторных измерений “Lunar Prospector” (1999) с результатами лазерной альтиметрии, проведенной с борта “Clementine”(1994), а также с данными “Lunar Laser Ranging”(1969-2004), предполагает наличие металлического ядра. Современное определение величины полярного момента согласуется с железным ядром радиуса 220 – 450км или с примесью серы 330 – 590 км (Konopliv et al, 1998, 2001).

2. Интерпретация значения полярного момента в рамках химических, тепловых и плотностных моделей лунной коры (Kuskov et al., 2002) и мантии позволила сделать выводы о массе и размерах ядра.

3. Остаточная намагниченность лунных пород, выявленная Apollo 13 говорит о сильном магнитном поле в несколько гауссов у Луны примерно 3,9 – 3,1 млр. лет тому назад, которое могло генерироваться только благодаря динамо-механизму в жидком железном ядре в этот ранний период эволюции (Runcorn, 1996, Stegman et al., 2003).

4. Магнитометрические измерения, выполненные Лунар Проспектором в апреле 1998 года, независимо подтверждают наличие металлического ядра радиусом 250 – 430 км (Lin et al., 1999).

5. Оценка числа Лява, полученная из детального анализа данных по дистанционному слежению “Lunar Prospector” (Konopliv et al, 2001), k2=0.025+/– 0.003, свидетельствует о частичном плавлении в вязкой нижней мантии на границе с жидким ядром (Yoder et al, 2003), возможно, с образованием зоны в 200-300 км с ультранизкими скоростями сейсмических волн (ULVZ).

6. Анализ диссипации вращения Луны, полученной из ЛЛЛ, показал, что могут быть два источника диссипации: месячные твердотельные приливы и жидкое ядро, вращение которого отличается от твердого тела (Newhall & Williams, 1997; Williams et al., 2001). Оба эффекта были рассчитаны численным интегрированием уравнений вращения Луны, и, как результат, был получен радиус ядра 352 км, если ядро чисто железное, и 374 км, если оно представлено эвтектической композицией Fe-FeS.

Очевидно, что задачи и методы, предлагаемые в проекте, позволят существенно продвинуть изучение вопроса эволюции Луны, существования у нее ядра, определения его параметров и структуры.


3. Селенодезия обратной стороны Луны:

Для понимания некоторых особенностей лунной топографии и гравитационного поля, необходимо принимать во внимание, что в прошлом динамика системы Земля-Луна существенно отличается от наблюдаемой в настоящее время. В частности, именно с этим может быть связано то обстоятельство, что, при геометрической сплюснутости в 2.2+/-0.2 км, поверхность равного значения гравитационного потенциала сжата только на 0.5 км. Некоторые специалисты полагают, что Луна сохранила равновесную гидродинамическую фигуру, сформировавшуюся тогда, когда ее вращение происходило существенно быстрее.

Изучение взаимосвязи особенностей внутреннего строения небесного тела со свойствами гравитационного поля является классической задачей теории потенциала. Современные высокоточные методы наблюдения полета зондов в окрестности различных небесных тел позволяют дать подробное описание их гравитационных полей. Становится возможным рассматривать обратные задачи, делать заключения об особенностях внутреннего строения, объясняющие какие-либо характерные черты гравитационного поля.

По данным космических аппаратов построено ряд моделей гравитационного поля и геометрической фигуры Луны для видимой и обратной стороны (Konopliv et al., 1998, 2001, Ping et al., 2003). Однако в силу недостаточного объема материала, к настоящему моменту количество и качество информации о гравитационных и топографических особенностях обратной стороны Луны значительно уступает информации о видимой стороне. Поэтому важно объединить наблюдательные и теоретические усилия для получения согласованной полной топографической и гравитационной карте лунного шара.

В спектр исследуемых задач включается проблема обнаружения влияния раннего лунного ядра на формирование континентальной коры обратной стороны Луны. Одним из возможных проявлений лунного ядра является конвекция в лунной ранней мантии, которая могла иметь место на ранних стадиях лунного развития (Spohn et al.,, 1997; 2001). В этом случае плюмы – восходящие потоки вещества и тепла – могли быть сохранены в коре Луны как положительные гравитационные аномалии. Поведение лунной поверхности в близи таких аномалий может иметь некоторые характеристики, известные по поведению плюмов на толстой континентальной коре Земли, а именно: увеличение теплового потока в области плюма; в тектонике континентальной коры, плюм также производит положительные гравитационные аномалии; топографические особенности в форме арочного линеамента; С точки зрения тектонофизики плутоно-подобные интрузий "масконы" есть результат вторжения плотного вещества мантии в менее плотную среду коры окружения, в этой области лунная кора становится более тонкой из-за подъемов границы Мохо. Подобное явление наблюдается в лунной коре по данным зонда Lunar Prospector (Potts et al., 2003).

В свете современных данных о Луне модель конвективного развития лунной мантии была предложена Конрадом и Шпоном (1997, 2000). По их расчетам ядро Луны охлаждается быстро в течение первого миллиарда лет до температуры нижней мантии. Частичное расплавление происходит в верхней мантии как последствие горячих поднимающихся плюмов, произведенных неустойчивостью горячей мантии на границе с ядром. За счет дифференциального вращения ядра и мантии ранней Луны эпизодически усиливается диссипация вращательной энергии. (Petrova, Gusev, 1997, 2001).

Последние данные, полученные миссией Клементины (Zuber et al., 1994) и Lunar Prospector (Konopliv et al., 1998, 2001) позволили с высокой точностью получить топографические и гравитационные карты аномалий лунной поверхности. И, если на видимой стороне наиболее заметные аномалии приурочены к бассейнам ударной природы, чем и объясняется их происхождение, то аномалии обратной стороны расположены на толстой континентальной коре, вне лавовых бассейнов, включая такие кратеры как Hertzprung (232 E, 1 N), Korolev (203 E, 4 S), Mendeleev (141 E, 6 N), Freunlich-Sharonov (175 E, 18 N), и Moscoviense (147 E, 26 N). Объяснение динамического происхождения подобных масконов на обратной стороне Луны пока не дано.

Мы предполагаем, что "масконы" в толстой (до 100 км) лунной континентальной коре могли быть произведены конвективными процессами в верхней мантии Луны на ранней стадии ее теплового развития.. Процессы формирования маскона очевидно аналогичны таким же явлениям на Земле: в период глобальной конвекции самые мощные плюмы могли достигать лунной коры и быть законсервированы в коре, сохраняя грибоподобные интрузии из пород плотного вещества нижней мантии (масконы). Определенные поверхностные характеристики должны наблюдаться при воздействии плюмов на кору: подъем границы Мохо, топографические особенности в форме арочного типа линеаментов; тепловые аномалии ("теплое пятно"), гравитационные аномалии (Gusev, Петрова, 1999, 2003). Комплексные измерения лунной поверхности эксперимента SELENE дают возможность проверить высказанную гипотезу.

Изучение раннего периода лунной истории в настоящее время является одной из самых актуальных задач планетных исследований, тесно связанной с проблемами планетной космогонии. Полученные к настоящему времени сведения показывают, что в первые 700 млн. лет своей истории Луна претерпела эпоху наиболее интенсивной бомбардировки планетезималями. В этот период на ее поверхности возникли более 40 многокольцевых бассейнов. Энергия ударов сыграла значительную роль в тепловой истории Луны, в формировании ее поверхности и недр, в формировании локальных магнитных полей, и, по-видимому, оказала влияние на динамику изменения параметров вращения. Загадочной остается природа современных полярных районов Луны. Особенности строения бассейна Южный полюс - Эйткен предварительно указывают на то, что образовавший его ударник относился к иной популяции, чем ударники, образовавшие более молодые бассейны. Достаточно указать, что исследования этого бассейна входят в программу практически всех планируемых лунных миссий. Единственный в настоящее время активный лунный спутник СМАРТ-1 (Европейское Космическое Агентство) в числе основных задач имеет изучение бассейна Южный полюс – Эйткен. Рабочая орбита спутника, на которую он выходит в марте 2005 года, имеет параметры, обеспечивающие наиболее подробное исследование именно этого бассейна Луны. Таким образом, ожидаемые результаты данного исследования будут соответствовать мировому уровню лунных и планетных исследований.
VI. Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту: полученные ранее результаты

1. Спин-орбитальная вековая эволюция и физическая либрация многослойной Луны:

Основываясь на Гамильтоновом подходе, разработанном для двухслойной Земли Хетино (Getino, 1995), Петрова и Гусев (1999, 2001, 2003), построили модель свободного вращения двухслойной Луны и вычислили период Чандлеровых колебаний и впервые оценили период свободной нутации Луны.

Чандлеровские колебания (CW), представляющие собой движение оси вращения Луны относительно динамической системы координат (ДСК – триэдр осей инерции), вызванное несферичностью лунного тела и несовпадением оси вращения с главной осью инерции. Это единственная общая мода вращения, существующая для полностью твердой планеты. Для Луны она имеет большой период 74.6 года в системе координат, связанной с ДСК. Это колебание является прямым, т.е. осуществляется в направлении вращения Луны, оно обнаруживается в ЛЛЛ-наблюдениях как 3”8” эллиптическая компонента (Newhall, Williams, 1997).

Свободная нутация ядра (FCN), представляющая дифференциальное вращение жидкого ядра относительно вращения мантии. Эта мода существует только в том случае, если ядро жидкое. Она имеет квази-суточный период в ДСК и описывает обратное колебание (против вращения Луны). В пространстве, т.е. в инерциальной системе координат, лунная FCN имеет большой период порядка 144 лет, если динамическая фигура ядра подобна мантии (Petrova, Gusev, 2001). Величина периода около 186 лет соответствует динамически симметричному ядру с эллиптичностью 110-4 (Barkin, Gusev, Petrova, 2004) . Значения этих частот были получены из соответствующих уравнений вращения. Они зависят от размеров ядра, его химического состава и динамического сжатия.

В работах Баркина и Феррандиша (2003, 2004) предложен оригинальный подход по построению теории ФЛЛ, для Луны с эластичной внешней оболочкой и жидким ядром. При этом получается естественное развитие теория ФЛЛ для твердой модели Луны (Barkin, 1986). Были получены оригинальные канонические формы уравнения вращения Луны, и апробированы методы теории возмущений для гамильтоновых систем, применительно к рассматриваемой композиционной модели Луны. Эти работы открывают новые и широкие возможности для построения полной теории возмущенного вращения указанной модели Луны (описание свободных, периодических, резонансных либраций Луны, уточненные законы Кассини, эффекты от жидкого ядра в ФЛЛ, либрации ядра в условиях резонансов, влияние упругости, новые динамические эффекты).

В ИПА РАН разработана версия эшелонированного процессора EPSP. Она написана на стандартном языке FORTRAN-77 и не имеет ограничений на число степенных и тригонометрических переменных и на границы изменения их мультииндексов, которые фиксируются лишь для каждой конкретной задачи. EPSP снабжен богатым набором аналитических операций над эшелонированными рядами Пуассона. На основе EPSP разработаны специальные библиотеки, содержащие процедуры наиболее важных для небесной механики математических функций и разложений типичных небесно-механических функций (Ivanova, 1997, 2001). Однако процессор отлаживался только на простых примерах. Поэтому требуется тщательная отладка его на реальной задаче проекта.

Анализ вековых эффектов в динамике системы Земля-Луна будет опираться на уникальный опыт почти полувекового изучения орбитального движения и движения относительно центра масс искусственных и естественных небесных объектов в ИПМ им. Келдыша РАН. В частности, в ИПМ им. Келдыша проводились интенсивные исследования приливной эволюции вращения небесных тел (В.В.Белецкий), изучалось вековые эффекты во вращательном движении планет с жидким ядром. Специалистами ИМП им. Келдыша разработаны эффективные методики анализа резонансных эффектов в динамике небесных тел ( Sidorenko, 1994,1997; Neishtadt, Sidorenko, 2004 ).

Аналитическое, качественное и численное моделирование вращения и физической либрации Луны имеет длительную историю плодотворного развития научных школ в Московском и Казанском университетах, в Институте Прикладной (Теоретической) Астрономии РАН, Санкт-Петербург, в Институте прикладной математики , ИКИ, ИТА, РАН, Москва и связанны с такими выдающимися именами как Е.П. Аксенов, В.И. Арнольд, В.В Белецкий, В.А. Брумберг, Г.Н. Дубошин, А.И. Нейштадт, Ш.Т. Хабибуллин и др.. Ученики и ученики учеников этих научных школ и составляют костяк научного коллектива.





Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница