9 Minutės
Mėnulio drebėjimai keičia kraštovaizdį ir kelia riziką infrastruktūrai
Nauja geologinių duomenų analizė iš Apollo 17 nusileidimo vietos rodo, kad pakartotiniai, žemo intensyvumo mėnulio virpesiai — o ne meteoritų smūgiai — kelis kartus pakeitė paviršių Taurus‑Littrow slėnyje. Tyrimą, paskelbtą laikraštyje Science Advances, parengė Smithsonian vyresnysis mokslininkas emeritas Thomas R. Watters ir Merilando universiteto geologas Nicholas Schmerr. Jame apjungtos Apollo misijų lauko pastabos su šiuolaikiniais seismikos modeliais, siekiant įvertinti, kaip seklios mėnulio smūginių judesių bangos gali perstumti riedulius, sukelti nuolydžių įslinkimus ir kelti grėsmę ilgalaikėms misijoms.
Naudodami akmenų pasiskirstymą ir nuolydžių nuosėdas, kurias rinko Apollo 17 astronautai, mokslininkai apskaičiavo seisminių įvykių dydį ir galimą jų šaltinį, kurie perstumdė didelius riedulius per slėnio dugną. Kadangi Mėnulyje trūksta šiuolaikinių, tankių stiprumo seismometrų tinklų, tyrėjams tenka atkurti praeitą žemės judėjimą iš geomorfologinių žymių: nuvirtusių riedulių, sutrikusių šlaitų ir kitų fizinių pėdsakų, išlikusių milijonus metų. Sujungę šias lauko stebėsenas su skaitmeniniais bangos sklidimo modeliais, autoriai identifikavo tikėtiną plyšio šaltinį pastebėtiems sutrikimams ir kiekybiškai įvertino galimą gruntinį pagreitį, kurį toks plyšys gali sukelti.
Šiame darbe papildomai aptariami mechanizmai, kaip regolitinis sluoksnis, jo tankis ir sutankėjimo laipsnis veikia bangų slopinimą — nuo reverberacijos aukštuose dažniuose iki ilgalaikio žemo dažnio energijos perdavimo. Konkretūs pavyzdžiai iš Apollo mėginių leidžia susieti atskirus geomorfinius požymius su tam tikromis bangų spektro charakteristikomis, kas suteikia patikimesnį ryšį tarp matomų paviršiaus pokyčių ir vidinių seisminių šaltinių. Tokia sintezė padidina pasitikėjimą praeitų įvykių rekonstrukcija ir leidžia praktiškai taikyti rezultatus misijų planavime.
Geologiniai įrodymai rodo Lee–Lincoln plyšį
Tyrime pakartotinai susiformavę reljefo pokyčiai Taurus‑Littrow zonos siejami su Lee–Lincoln plyšiu — sekliu ir kryptiniu nuslinkimu pasižyminčia stumiamo tipo (thrust) struktūra, kertančia slėnio dugną. Tyrėjai daro išvadą, kad per pastaruosius maždaug 90 milijonų metų sritis periodiškai patyrė palyginti mažus, bet vietiškai stiprius drebėjimus, kurių žemės sutrikimo ekvivalentas Žemėje būtų apytiksliai ~3 magnitudės. Žemėje 3 magnitudės įvykis paprastai laikomas menku, tačiau jei toks smūgis įvyksta labai arti konstrukcijos ar staigaus šlaito, jis gali pagimdyti pakankamai didelį pagreitį, kad pajudintų riedulius ar inicijuotų šlaito nuosmukį.
Kompiuterinė simuliacija iliustruoja seismines bangas, sklindančias iš seklaus mėnulio smūgio, kuris įvyko ant Lee–Lincoln atbrailos Taurus‑Littrow slėnyje, ir jų sąveiką su Apollo 17 Mėnulio modulio nusileidimo vieta. Garso takas atitinka vertikalų gruntinį judesį iš simuliacijos. Garso ir vaizdo medžiaga paspartinta 10 kartų. Fone panaudotas LROC‑WAC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera ‑ Wide Angle Camera) mozaikos palydovinis vaizdas. Raudona ir mėlyna rodo teigiamą (aukštyn nukreiptą) ir neigiamą (žemyn nukreiptą) bangos poliariškumą. Kreditas: Merilando universitetas, Nicholas Schmerr.
Modeliavimas rodo, kad seklios stumiamo tipo klaidos, kurios yra paplitę po visą Mėnulio paviršių, gali generuoti lokalias gruntines pagreitinimo zonas, kurios yra didesnės nei anksčiau manyta, net kai įvykis pagal Žemės mastą atrodo nedidelis. Lee–Lincoln plyšys yra vienas iš pavyzdžių; Mėnulyje yra tūkstančiai panašių plyšių, susiformavusių dėl planetos aušinimosi ir kontrakcijos, o vidiniam sluoksniui toliau judant gali formuotis naujos struktūros. Todėl autoriai teigia, kad aktyvios arba pastaruoju metu aktyvios atbrailos turėtų būti traktuojamos kaip potencialūs seismikos pavojai.
Kiekybinis seismikos rizikos įvertinimas mėnulio operacijoms
Watters ir Schmerr pateikia tikimybinį rizikos įvertinimą aplink aktyvias stumiamąsias klaidas. Jie apskaičiavo, kad kasdienė tikimybė, jog šalia aktyvios atbrailos įvyks potencialiai žalingas mėnulio drebėjimas, yra maždaug 1 iš 20 milijonų. Vienos paros tikimybė mažoka, tačiau daugelio metų ir dešimtmečių trukmės misijose kumuliatyvinė rizika tampa reikšminga. Pavyzdžiui, pagal autorių paprastą kumuliacinį modelį dešimtmečio trukmės paviršinis gyvenamasis modulis susidurtų su maždaug 1 iš 5 500 tikimybe patirti pavojingą įvykį per visą eksploatacijos laiką.
Praktinė išvada yra tokia: trumpalaikės išvykos, panašios į Apollo misijas, turėjo nereikšmingą seismikos riziką, tuo tarpu nuolatinės bazės, gyvenamosios stotys ir aukšti, siauri nusileidimo moduliai (įskaitant žmogaus nusileidimo sistemas, perimtas iš Starship tipo koncepcijų) gali būti labiau pažeidžiami dėl gruntinio pagreičio. Konstrukcijos su aukštais masės centrais arba siauru atraminių taškų išdėstymu gali apvirsti arba patirti kritinę žalą, jei šalia įvyksta sekli smūginis įvykis, sukeliantis stiprią impulso bangą. Dėl to komandai rekomenduojama įtraukti paleoseisminius įrodymus, atbrailų žemėlapius ir vietines seismikos rizikas į nusileidimo vietos pasirinkimo ir gyvenamųjų modulų išdėstymo procesus.
Detaliau apskaičiavus, svarbu įvertinti ne tik įvykio dažnį, bet ir charakteristikas: pavyzdžiui, pikinį gruntinį pagreitį (PGA), spektro sudėtį pagal dažnį, bangos trukmę ir užimtumo mastą. Konstrukcijų inžinerijai reikėtų naudoti Monte Carlo tipo simuliacijas, kombinuojančias skirtingas plyšių geometrijas, atstumus iki šaltinio ir regolitinės dangos savybes, kad būtų gautos solidžios rekomendacijos dėl pamato konstrukcijų, slopinimo sistemų ir pritaikymo prie asimetrinės apkrovos.
Mėnulio paleoseizmologija: metodai ir ateities instrumentai
Kadangi Mėnulio seismometrų tinklas yra retas, o Apollo eroje naudotos stotys prilygo tuo metu prieinamoms technologijoms, paleoseismologai remiasi netiesioginiais įrodymais. Schmerr ir kolegos naudojo geomorfinius pakaitalus — riedulių kritimus ir nuolydžių nuosėdas — kad išvestų praeitą žemės judėjimą ir vėliau testavo šias prielaidas prieš fizikos principais grįstus seisminių bangų modelius. Šis požiūris, kartais vadinamas mėnulio paleoseismologija, sujungia lauko geologiją, palydovinę vaizdų analizę, laboratorinius mėginių tyrimus ir skaitmenines simuliacijas.
Ateities Artemis misijos, taip pat planuojamos orbitinės ir paviršinės kampanijos, suteikia reikšmingą galimybę pažengti šioje srityje. Nauji, modernūs seismometrai — pasiekę dešimtmečių technologinį progresą nuo Apollo prietaisų — gebės fiksuoti seismiškumą dažnių juostose ir atstumuose, kurie anksčiau Mėnulyje nebuvo išspręsti. Aukštos raiškos orbitinė fotografija ir lazerinė altimetrija leis tiksliau nubrėžti atbrailas bei nustatyti naujausią šlaitų veiklą, taip gerinant pavojų žemėlapius misijų planuotojams.
Be to, pasiskirstę seismometrų tinklai leis atskirti vietinius seklius įvykius nuo tolimų kraterinių smūgių, pagerins šaltinių lokalizaciją ir leis nuolat stebėti aktyvumą. Integravus gravimetrinius, magnetinius ir terminius matavimus, bus galima sukurti visapusiškesnį Mėnulio dinamikos paveikslą — nuo būsenos pluto iki mechaninių savybių regolitiniame sluoksnyje. Tokie duomenys tiesiogiai prisidės prie saugesnės ir patikimesnės infrastruktūros projektavimo.
„Jei norime ilgalaikių bazių Mėnulyje, turime integruoti seizmikos pavojų vertinimą į vietos parinkimą ir inžinerinius sprendimus,“ teigė Nicholas Schmerr. „Vengti statybos tiesiai ant aktyvių atbrailų ir laikyti gyvenamąsias erdves nutolusias nuo žemėlapiuose pažymėtų stumiamųjų plyšių – tai žymiai sumažina riziką.“
Ekspertų įžvalgos
„Tyrimas pabrėžia, kaip planetos aušinimasis ir su tuo susiję tektoniniai įtempiai toliau formuoja Mėnulio paviršių žmogaus laikotarpio mastu,“ sako dr. Elena Ruiz, struktūrinė geofizikė vienoje didžiųjų kosminių agentūrų (komentaras pateiktas kontekstui). „Inžinieriams esmė aiški: rinkitės lygesnį, geologiškai senesnį gruntą ilgalaikei infrastruktūrai, projektuokite konstruktus, atlaikančius asimetrinius gruntinius pagreičius, ir investuokite į paskirstytą seismometrų tinklą. Tokie žingsniai padarys Artemis eros gyvenamąsias bazes žymiai atsparesnes.“
Apollo 17 astronautas Harrison H. Schmitt imasi mėginio nuo riedulio 7 stotyje, esančiame prie North Massif papėdės Taurus‑Littrow slėnyje. Šis didelis riedulys buvo išjudintas stipraus mėnulio drebėjimo, įvykusio maždaug prieš 28,5 milijono metų. Smūgio šaltiniu greičiausiai buvo įvykis ant Lee–Lincoln plyšio. Kreditas: NASA/JSC/ASU
Poveikis misijų planavimui ir inžinerijai
Praktiniu požiūriu misijų architektai ir paviršinės infrastruktūros projektuotojai turėtų į planavimą įtraukti šias priemones: seismikos pavojų žemėlapius, sudarytus remiantis atbrailų žemėlapiais ir paleoseisminiais požymiais; vietos apribojimus, užtikrinančius, kad kritiški objektai nebūtų statomi arti aktyvių stumiamųjų plyšių; pamatų, amortizavimo ir stabilizavimo sistemas, kurios sumažintų apvirtimo riziką aukštiems nusileidimo moduliams ir bokštams; bei tankių seismometrų tinklų diegimą pradžioje, kai bazė pradeda veikti, kad būtų galima stebėti vykstantį aktyvumą.
Rizika niekada nėra lygi nuliui, tačiau tinkami inžineriniai sprendimai gali sumažinti tiek tikimybę, tiek pasekmes, jei įvyktų žalingas mėnulio drebėjimas. Autoriai pabrėžia, kad jų rezultatai nereiškia, jog Mėnulis yra seismologiškai smurtinis; greičiau akcentuojama, kad lokalizuoti, seklių įvykių sukeliami drebėjimai yra reikšmingas pavojus nuolatinei infrastruktūrai. Trumpalaikės astronautų misijos išlieka mažos rizikos, tačiau rizikos apskaičiavimas pasikeičia, kai gyvenamųjų objektų eksploatacijos laikas siekia metus ar dešimtmečius.
Inžinieriams rekomenduojama modeliuoti scenarijus, atsižvelgiant į asimetrinius pagreičius, galimus impulsinius smūgius ir periodinius daugkartinius smūgius, kurie gali turėti kumuliacinį efektą ant konstrukcijų tvirtumo. Taip pat verta investuoti į modulines ir keičiamas konstrukcijas, kurios leidžia perkelti ar adaptuoti gyvenamuosius modulius, jei nauji seismologiniai duomenys parodo padidėjusią tarpinius pavojus konkrečioje vietoje.
Išvados
Naujasis Watters ir Schmerr tyrimas atveria praktinį kelią įtraukti mėnulio paleoseismologiją į Artemis eros ir komercinių mėnulio misijų planavimą. Naudodami geologinius markerius iš Apollo misijų kartu su moderniais seismikos modeliais, autoriai identifikavo aktyvias, seklias stumiamąsias klaidas — pavyzdžiui, Lee–Lincoln atbrailą Taurus‑Littrow slėnyje — kaip įtikinamus gruntinio drebėjimo šaltinius, galinčius perstumdyti riedulius ir kelti pavojų infrastruktūrai. Ilgalaikėms bazėms rekomendacijos aiškios: vengti neseniai susiformavusių atbrailų, prioritetizuoti seismometrų stebėjimą ir projektuoti nusileidimo modulius bei gyvenamuosius kompleksus taip, kad jie atlaikytų asimetrinius gruntinius pagreičius bei turėtų didesnį atsparumą apvirtimui. Kai seismometrai ir orbitiniai duomenų rinkiniai taps tikslesni, mėnulio seismikos pavojų vertinimai taps detalesni ir leis vykdyti saugesnes bei atsparesnes žmonių operacijas Mėnulyje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą