Сейсмика на Венере. (для справки) Информативность сейсмических исследований. Вся информация по внутреннему строению Земли и Луны получена из сейсмических. - презентация

1 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.

2 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.

3 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.

4 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.

5 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.

6 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.

7 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.

8 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.)

9 Принципиальная схема сейсмоприёмника с трансформаторным усилением

10 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:

11 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

12 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.

13 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

14

15 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.

16

17 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;

18

19 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.

20

21 Острорезонансный сейсмоприёмник

22 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

23 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.

24 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

25 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

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

27 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

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

29 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

30 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

31 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]

32 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

33 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

34 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.