Сейсмика на Венере. (для справки) Информативность сейсмических исследований. Вся информация по внутреннему строению Земли и Луны получена из сейсмических данных. То же будет на Венере.

На Земле вес аппаратуры для регистрации сейсмики от100кг до 0.1кг, на Луне это первые килограммы. На Венере это может быть порядка 100г., почему: любой сейсмометр состоит из колебательной массы (массой может быть блок электроники, аккумуляторы, сама станция) пружины (пружиной может быть элементы крепления блока электроники) механоэлектрического преобразователя (пьезопреобразователь(1-5г.), катушка в магните) и усилителя 20-50г. с кабелями (50г.). Частотные характеристики сейсмометров на Земле от 100сек до 100Гц. На Луне ~ 1-5Гц, на Венере 1-100Гц для начала.

Сейсмические исследования и эксперименты Могут быть как пассивные и активные; как на станции так и на баллоне. Пассивный эксперимент заключается в регистрации сейсмических сигналов как на станции так и на баллоне в указанном диапазоне частот. Почему эффективно и на баллоне: При таком давлении на Венере (100ати) волновые сопротивления на переходе грунт атмосфера в отличии от Земли сопоставимы и поэтому все сейсмические сигналы будут передаваться в атмосферу, правда в атмосфере только продольные Р-волны, но это незначительно уменьшит информативность. Длительность регистрации- чем больше тем лучше. Активный требует сейсмических источников и знания расстояния от приемника до источника.

Первые ожидаемые результаты (при одной станции) при пассивном эксперименте. На Земле катастрофические (10 18 Дж) землетрясения бывают раз в 10лет, землетрясения регистрируемые станциями каждый день ( Дж). На Луне за 6лет было зарегистрировано более лунотрясений. На Венере можно ожидать такой же частоты венеротрясений как и на Земле (т.е. несколько раз в день). Получим: 1 – уровень сейсмического шума, 2 – частоту венеротрясений, 3- распределение венеротрясений по расстояниям (из соотношения времен прихода продольных P и S поперечных волн), при длительной регистрации график повторяемости венеротрясений и элементы внутреннего строения Венеры путем сопоставлений сейсмограмм с сейсмограммами Земли. При активном: сейсмические скорости P и S-волн и скорости звука в атмосфере. Это означает знание упругих модулей грунта Венеры и их изменения с глубиной.

Проект. Геофизическая программа для посадочной станции Венера. Классы Научных задач. Тектоническая активность и солнечные приливы. Сейсмичность. Внутреннее строение. Вулканическая активность. Структура микросейсмического поля. Динамические, акустические и электромагнитные процессы в атмосфере. Механические и акустические характеристики грунта, электропроводность. Тепловой поток. Методы и аппаратурные решения этих задач. Регистрация сейсмоакустических волн, микросейсмических полей и т.п.

Аппаратура 3-х компонентный широкополосный приемник, установленный на Венере Общий вес – (механическая система + электроника внутри станции )- 0,8 кг; Энергопотребление - 50 мВт; Габариты -10x10x10 см; Режим функционирования - событийный, т.е. по превышению сигнала на входе в систему.однокомпонентный высокочастотный сейсмометр, устанавливаемый либо внутри станции, либо вне; возможен сброс в ударостойком варианте в отдельном микропенетраторе: общий вес - сейсмометр + электроника - 0,250 кг; совместно с микропенетратором, радиоизотопным источником и локальной телеметрией - 3,0 - 3,5 кг; перегрузки g. Энергопотребление ~ 10 мВт. 2.Регистрация динамических процессов в атмосфере. Два специализированных устройства микрофонного типа - внешнего и внутреннего размещения: Общий вес - 0,1 кг; Энергопотребление - 5 мВт. 3.Регистрация электромагнитных процессов в атмосфере. Возможен режим приема бортовой. Исследование свойств грунта. Установка нескольких приемо-передающих электрических и ультразвуковых источников в донной части посадочного кольца весом - 0,05 кг. 4. Тепловой поток Только с использованием микропенетратора.

Ожидаемые результаты. Полное выполнение сейсмических экспериментов позволит получить следующие предварительные результаты: Заключение об уровне тектонической активности Венеры: сейсмичность, вулканическая активность, возможность сейсмотектонических течений. Предварительную, но качественно достоверную модель внутреннего строения Венеры (ядро, мантия, кора). Положить начало аэрономии Венеры. Определить параметры грунта. Определить тепловой потоми геохимический состав коры и верхней мантии Венеры. Улучшить и обновить параметры модели происхождения планет. Отработать приоритетные передовые методы и технологии исследования небесных тел Солнечной системы. Конверсировать космические технологии для нужд научно- технического комплекса.

Трансформаторный сейсмоприемник Трансформаторный сейсмоприемник. Для увеличения чувствительности сейсмоприемника механическим путем можно применить механическую трансформаторную связь. В этом случае все сводится к модели связанных осцилляторов разных масс: M, m. Схематически это можно представить в виде связанных осцилляторов (см. следующий Рис.)

Принципиальная схема сейсмоприёмника с трансформаторным усилением

Из теории колебаний известно, что при добротности Qm малого осциллятора (m) больше добротности QM большого (М) амплитуда сейсмического сигнала увеличивается в (М/m)1/2 раз, что позволяет уменьшить требования к усилителям и электромеханическим датчикам. Уравнения, описывающие эту систему связанных осцилляторов имеют вид:

Где:ξ - амплитуда смещений (колебаний) большого осциллятора (сейсмоприемника); η - амплитуда смещений малого осциллятора; α = m/M параметр трансформации; δ – коэффициент затухания; ω – циклическая частота; f – внешнее воздействие на осциллятор

При равенстве парциальных частот осцилляторов (ωМ = ωм) в системе возникают биения с частотой Ω ~ 0.5ω(m/M) которую можно регулировать за счет подстройки парциальных резонансных частот каждого из осцилляторов. Колебания малого осциллятора появляются за счет механической связи с большим. При этом с интервалом равным Δt = (π/Ω) = (2/ω)×(М/м)1/2 энергия перекачивается от одного осциллятора к другому и в этом случае теряется временное разрешение, что не приемлемо для сейсмоприемника при точной регистрации моментов вступлений P и S волн. Поэтому коэффициент трансформации К = (М/м)1/2 не должен быть слишком большим при регистрации сейсмических сигналов от землетрясений, но при регистрации сейсмических шумов пределов нет.

Схема гравитационной антенны с механическими двухкаскадными усилителями амплитуд колебаний (Модель Лаврентьева). 1- массивная цилиндрическая часть антенны с массой М˚ и собственной частотой продольных колебаний ƒ˚; 2- масса 1-го каскада усиления М1; М1

Схема узкополосного сейсмометра с механическим однокаскадным усилением. 1- основная инертная масса m1 осциллятора с частотой ƒ1; 2- инертная масса m2 осциллятора усиления с частотой ƒ2; 3- упругий элемент массы m1; 4- упругий элемент массы m1; 5- заделка (например, корпус аппарата); 6- жесткая заделка, элемент массы m1; 7- пьезопреобразователь динамических колебаний, обусловленных внешним воздействием на осциллятор с частотой ƒ1 (колебания под действием сейсмической волны); Усиление первичного сигнала (Z- компоненты сейсмического сигнала) происходит при условии ƒ1= ƒ2.

Принципиальная схема создания сейсмометра с многокаскадным усилением с использованием в качестве основного осциллятора посадочную станцию, имеющую опоры с упругими элементами. 1- герметичный корпус станции, имеющей общую массу m1 (за вычетом масс осцилляторов с инертными массами (2) m2 и (3) m3 и с собственными частотами ƒ4; ƒ5); 2- инертная масса осциллятора усилителя 1-го каскада; 3- инертная масса осциллятора усилителя 2-го каскада; 4- упругий элемент сейсмометра - посадочной станции (устанавливается во всех опорах станции); 5- упругий элемент осциллятора усилителя 1-го каскада; 6- упругий элемент осциллятора усилителя 2-го каскада; 7- опоры станции; 8- дневная поверхность планеты; 9- якорь-фиксатор;

А – В. Конструктивная схема упругого элемента опоры посадочной станции как элемента сейсмометра (основного осциллятора). А- Схема расположения посадочной станции на дневной поверхности планеты. Б- Внешний вид опоры. В- Конструктивная схема упругого элемента опоры. А. 1-корпус станции; 2- дневная поверхность; 3- опоры корпуса; 4- якоря-фиксаторы. Б. 1- верхняя часть опоры; 2- нижняя часть опоры; 3- корпус упругого элемента опоры; 4- дневная поверхность; 5- цилиндрическая часть якоря- фиксатора; 6- якорь В. 1,2- верхние и нижние части опоры соответственно; 3- корпус упругого элемента опоры; 4- опорный диск для пружины; 5- направляющие опорного диска; 6- срезаемые в момент посадки штифты- фиксаторы; 7- плоская пружина; 8- пьезокерамический преобразователь деформации пружины 9- направляющие для настройки упругого элемента; 10- фиксаторы корпуса 3; 11- кабель для передачи сигнала от 8.

Острорезонансный сейсмоприёмник

Предельная чувствительность резонансного сейсмоприемника Трехкомпонентный резонансный сейсмоприемник: 1– основание; 2– пластины; 3 – грузы; 4 – пьезокерамика Предельная чувствительность осциллятора в узкой полосе определяется теоремой Найквиста; Подставляя реальные параметры: K= –23 Дж/K, T= K, m 1 кг, для частоты 2 =10 2 рад/c получаем 5 10 –13 м. и, полагая Q 10 2, получаем фл =10 –15 м. Эта величина значительно выше предыдущей оценки,поэтому региональные ВСШ в диапазоне десятков Герц должны регистрироваться сейсмоприемниками, обладающими значительной массой

Сейсмоприемник для посадочных модулей межпланетных станций и пенетраторов Должен удовлетворять следующим, особенно жестким в случае пенетратора, требованиям: жесткие ограничения по массе, габаритам и энергопотреблению; сжатие первичной информации; стойкость к перегрузкам от 500 до g; исключение арретира; функционирование при любых отклонениях от вертикали; работоспособность через 0.1–1 с после остановки пенетратора или его проникающей части; совмещение трехкомпонентного акселерометра больших сигналов длительностью 0.1 с с сейсмоакустическим приемником слабых высокочастотных импульсов с частотой 10 3–10 5 Гц. Кроме того, он должен регистрировать сейсмический сигнал в широком частотном диапазоне в виде обычной сейсмограммы. Сейсмометр обычно расположен в головной части пенетратора и содержит несколько блоков: собственно двухкомпонентный сейсмоприемник в виде специальной механической конструкции (рис. 2), электромеханических пьезопреобразователей колебаний инертной массы и электронных узлов – усилителя и блока выделения огибающей сигнала.

Продолжение Введение блока выделения огибающей вызвано ограниченными возможностями электронных блоков памяти и мощности передатчи­ка и служит для значительного уменьшения (более чем на два порядка) количества бит передаваемой информации. По циклограммам функционирования сей­смометр сразу после внедрения пенетратора работает в режиме высокочувствительного акселерометра (a 10-10g ) с полосой пропускания, определяемой электронными блоками. В этом режиме сейсмоприемник записывает на сейсмограмме (акселерограмме) сейсмические сигналы в виде волн, отраженных от различных неоднородностей и сейсмических границ. Первичный источник таких волн – внедрение пенетратора, падение частей теплового экрана и тормозных двигателей. После сейсмометр работает в дежурном режиме как узкополосный сейсмограф на резонансных частотах f1, f2 с максимальным усилением для записи вариаций уровня сейсмических шумов; его амплитудно-частотные характеристики сейсмометра подобны таковым акселерометра (рис. 3).В событийном (ждущем) режиме записывается сигнал от планетотрясения и других сейсмических событий только после превышения последним определенного уровня (порога) с меньшим коэффициентом усиления K ( рис. 4). Коэффициенты усиления сигналов меньше пороговой величины Up (U

Ударостойкий сейсмометр Двухкомпонентный сейсмоприемник для пенетратора: 1– сферическая масса; 2 – корпус; 3 – крышка; 4 – хвостовик упругого элемента; 5, 6 – переходник; 7 – пьезопреобразователь; 8 – пружинная цанга; 9 – донная ловушка

Характеристики резонансного сейсмоприёмника и усилителя Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика сейсмометра Рис. 4. Амплитудно-амплитудная характеристика усилителя сейсмометра 1 – K=102; 2 – K=104

Основные параметры сейсмометра п\п Параметр Канал 1Канал Масса, кг Общая Инертная Собственная частота, Гц Коэффициент преобразования, В\м\с2 Полоса частот, Гц Предельная чувствительность, м\с 2 Добротность Динамический диапазон, дБ

Сводные данные по чувствительности аппаратуры и сейсмическим условиям на Луне и Марсе

Сводные данные по чувствительности аппаратуры и сейсмическим условиям на Луне и Марсе (продолжение) 1 – сейсмометры Viking; 2, 3 – сейсмометр Optimism (2 – пассивный режим регистрации, 3 – активный режим); 4 – тепловой шум канала Opti­mism; 5 – шум канала сейсмоприемника пенетратора; 6 – акселерографический режим работы сейсмоприемника пенетратора; 7 – узкополосный сейсмограф; 8 – чувствительность при регистрации в модуляционном режиме; 9 – модуляционный режим для солнечного прилива; 10 – амплитуды волн от марсотрясений; 11–13 – уровень поверхностного шума: 11 – по данным Viking, 12 – средний, 13 – максималь­ный; 14 – минимальный ветровой шум на Марсе; Р – уровень сигнала от приливных воздействий Фобоса

Схема стационарного пункта наблюдений ВСШ Первомайский, Туркмения 1 – датчики; 2 – усилитель; 3 – фильтр; 4 – блок выделения огибающей; 5 – блок памяти; 6 – автомат приема точного времени; 8 – радиоприемник

Особенности форм возмущений уровня огибающей ВСШ и выбросов СЭ а–в – формы совокупности землетрясений (СЗ) [Mogi, 1963]; г–е – моделирование сейсмического режима (МЗ); ж–и – типы меандров сейсмической эмиссии (СЭ); к–м – акустическая эмиссия (АЭ) [Иванов, Белов, 1981]

Динамика собственных колебаний Земли Переход колебательной энергии Земли от 1S4 на 2S2 (а); дрейф периода колебаний Тк.з. во времени в узкой полосе периодов от группы из 1S4 на 2S2 к группе из 2S1; 1S4; 5T0 в течение г. (б); схема определения амплитуд Аiк.з. и Тiк.з. (в) по записи вариации уровня огибающей сейсмических шумов в реальном времени 1 – невозмущенный участок огибающей шумов; 2 – характерное возмущение под действием собственных колебаний Земли (i-й участок); 3 – усредненный уровень шума

Графическое представление Каталога Накамуры Пример построения временного ряда из каталога лунной сейсмичности Накамуры: (а),по оси ординат – амплитуда лунотрясения(А отн.), по оси абсцисс – время; (б) – то же самое в более сжатом виде

Выводы Сейсмический эксперимент для космических исследований – не требует значительных масс, энергопотребления, информационных потоков, компактен и надежен. Включает современные представления нелинейной физики, требует обширного опыта и высокой культуры исследования. Для многих исследований –безальтернативный источник космогонической и астрофизической информации.