litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 ... 4 5
Для обсуждения:



Название проекта: Национальный научно-технический проект “Луна - 2012+”

Название научной части проекта: "Спин-орбитальная эволюция, селенодезия и геофизика Луны".

Название проекта на англ. языке: National lunar projectLuna - 2012+”;

Название: “Spin-orbit evolution, selenodesy and geophysics of the Moon”.

Сроки исполнения: 5 лет, 2006 - 2010 гг.

Организации-исполнители: Мин. науки и образования РФ - МГУ, КГУ, МАИ; РАН - ГЕОХИ, ИНАСАН, ИПА, ИПМ, ИФЗ; Роскосмос; РКК “Энергия”, ….

Список основных исполнителей
: ГЕОХИ: Э. Галимов, О. Кусков, В. Кронрад МГУ: В. Шевченко, Ю.Баркин, А.Бережной, С. Пугачева, Е.Козлова;

КГУ: А.Гусев, Н.Петрова, М. Шпекин, Э.Утемов , З. Слепак;

МАИ
: Ю.Марков; ИПМ им М.В. Келдыша: Э.Аким, В.Белецкий,

В. Сидоренко; ИНАСАН
: Л. Рыхлова; ИФЗ: В.Жарков, Т.Гудкова, Е. Рускол, О. Хаврошкин; ИПА: В. Брумберг, Т. Иванова, Г. Красинский, Е. Алешкина;

Финансирование проекта: научная часть - 65 млн. руб. в ценах 2006 г.


I. СОДЕРЖАНИЕ ИНИЦИАТИВНОГО ПРОЕКТА


Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект

Проект направлен на решение фундаментальных проблем небесной механики и геофизики Луны, связанной с проведением комплексных теоретических исследований и компьютерного моделирования по следующим разделам:

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

а) построение аналитической теории вращения двух/трехслойной Луны и получением на ее основе таблиц физической либрации (ФЛЛ) для применения их при обработке высокоточных наблюдений, которые дает лазерная локация Луны и которые планируется получить в лунном проекте SELENE; ILOM (Япония); построение лунного ежегодника.


б) анализ спин-орбитальной эволюции ранней Луны, оценка диссипации внутренней энергии, моделирование долговременного механизма поддержания свободной либрации.

2. Геодинамика лунного ядра: анализ дифференциации ядра, детализация плюм-тектоники мантии и коры ранней Луны, эволюция пограничного слоя ядро-мантия, реконструкция гравитационного и вязко-механического взаимодействия ядра и мантии, расчет свободных и вынужденных нутаций лунного ядра и мантии.

3. Селенодезия обратной стороны Луны: решение обратной задачи лунной гравиметрии, построение геодинамической модели лунной коры, мантии и ядра, границы Мохо, реконструкция первичных масконов Луны, создание топографической и гравиметрической модели Луны по данным последних наблюдений.


II. Конкретная фундаментальная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект

Моделирование внешних и внутренних процессов, влияющих на вращение Луны, имеющей сложную внутреннюю стратиграфию, разработка теории физической либрации многослойной вязкоупругой Луны с целью выявления наблюдаемых эффектов вращательных мод двухфазного лунного ядра, геофизическая интерпретация гравитационных и топографических аномалий обратной Луны по наблюдениям в проекте SELENE – составляет важное направление в изучении динамики и внутреннего строения тел Солнечной системы.

Влияние резонансов на вековую эволюцию системы Земля-Луна является еще одной фундаментальной проблемой, которую предполагается рассмотреть в данном проекте. Орбитальные резонансы оказывают влияние на вращение Луны и резонансное усиление диссипации в лунном ядре и мантии за счет солнечно-земного приливного взаимодействия.

В свете представленных проблем проектом предусматривается

  1. Математическое описание задачи – вывод дифференциальных уравнений вращения Луны, представляющей собой или двухслойное (жидкое ядро – упруго-вязкая мантия) или трехслойное (упруго-вязкая мантия – жидкое внешнее ядро – твердое внутреннее ядро) тело. – Баркин Ю., Гусев А., Петрова Н.


  2. Решение этих уравнений в аналитическом виде: переменные ФЛЛ планируется получить в виде рядов Пуассона, задающих аналитическую зависимость от времени и параметров внутреннего строения Луны – динамической фигуры разных слоев Луны, упругости, вязкости, характеризующих структуру Лунного тела. В конечном итоге, необходимо получить таблицы ФЛЛ с описанными параметрами рядов, которые с точностью 0,001 секунд могут быть использованы для адекватной обработки высокоточных наблюдений. Таблицы ФЛЛ представляют как самостоятельный научный интерес, так и могут служить основой для построения в будущем лунного ежегодника, ключом к пониманию физического строения и процессов внутри лунного тела. – Баркин Ю., Петрова Н., Красинский Г..

  3. Сравнение аналитических таблиц ФЛЛ с наблюдениями с целью уточнения параметров внутреннего строения Луны: наличие или отсутствие ядра, его размеры, химический состав и агрегатное состояние, числа Лява, параметры добротности Q. В отличие от применяемых для анализа наблюдений численных моделей ФЛЛ аналитическая модель может предсказать новые, не известные и не наблюдаемые ранее (из за недостаточной точности наблюдений) гармоники в рядах наблюдений. – Баркин Ю., Гусев А., Петрова Н., Алешкина Е

  4. Анализ резонансного взаимодействия слоев Луны с Землей и Солнцем: наличие резонансов может способствовать увеличению амплитуд тех членов либрационных рядов, что появляются в результате учета многослойности. Их обнаружение из наблюдений позволит судить о параметрах возможного лунного ядра, присутствие или отсутствие которого непосредственно связано с фундаментальной проблемой происхождения и эволюции системы Земля-Луна. – Баркин Ю., Гусев А., Петрова Н.
  5. Разработка современной специализированной системы компьютерной алгебры и аналитических алгоритмов для решения уравнений ФЛЛ в виде рядов Пуассона и получения соответствующих таблиц ФЛЛ, необходимых, как для построения лунного ежегодника, так и для других практических задач лунной астрометрии. – Брумберг В., Иванова Т., Петрова Н.


  6. Предполагается изучить роль резонансов в динамической истории системы Земля-Луна. Будет проведен анализ свойств равновесий Кассини на орбитах, захваченных в резонанс. Особое внимание будет уделено взаимосвязи резонансных эффектов и физических процессов, которые определяют форму Луны, распределение вещества в ее недрах, моментов инерции, свойства лунного гравитационного потенциала. Белецкий В., Рыхлова Л., Сидоренко В., Гусев А., Красинский Г., Кусков О.

  7. Сравнительный статистический анализ распределения и структуры, рельефа таких аномальных образований, как многокольцевые бассейны обратной стороны. Анализ будет проводиться как с целью изучения происхождения и эволюции данных бассейнов, так и для понимания влияния процессов их формирования на изменение характера вращения Луны. Для отработки методики, а также для корректности и полноты предстоящих по проекту «Селена» исследований потребуется совместная обработка новых данных с уже имеющимися в результате исследований лунной поверхности КА «Зонд», Clementina, Lunar Prospector – Шевченко В., Пугачева С., Бережной А., Шпекин М., …

  8. Изучение глубинного строения коры и верхней мантии Луны по данным вейвлет-анализа аномального гравитационного поля. Этот метод позволит исследовать распределение вещественного состава лунных пород, их структурной изменчивости (хрупкие разрушения, температурные изменения и др.), нахождение источников аномалий гравитационного поля. – Гусев А., Слепак З., Утемов Э.
  9. Исследование термодинамической картины эволюции: 1)“океана магмы”, 2) вторичного разогрева мантии, 3) дифференциации лунного ядра, 4) генерации первичного магнитного поля динамо-механизмом (энергетический баланс) в интервале 3.9-3.1 млр. лет назад в рамках теории спин-орбитальной диссипации приливного взаимодействия в ранней системе Земля–Луна, при захвате в резонансное вращение ранней Луны на основе последних лабораторных экспериментов по исследованию вещества при высоких давлениях и температурах и современных реологических вязко-упругих моделей среды.– Кусков О., Кронрад В., Гусев A.,.



III. Предлагаемые методы и подходы.

1. Аналитическая теория вращательного движения твердой и деформируемой Луны будет построена на базе Гамильтоновых форм уравнений вращательного движения и методов, успешно зарекомендовавших себя при изучении вращения твердой Луны (Barkin, 1986) и теории вращения эластичной Земли с жидким ядром (Getino, 1995-1999). Идеология подобного исследования изложена в первых публикациях по этой теме (Petrova, Gusev, 1999; Barkin et al., 2003, 2004). Аналитическая теория ФЛЛ, ранее разработанная в работах Баркина Ю.В. (1986), Петровой Н.К. (1996) для твердой Луны, будет обобщена и развита для модели упругой Луны с жидким ядром.

2. Для получения аналитического решения в виде рядов Пуассона, будут использованы асимптотические методы, апробированные для твердотельной Луны. Отличительной особенностью полученного решения будет аналитическая зависимость либрационных переменных не только от времени, но и параметров внутреннего строения Луны: радиуса ядра, вязкости на границе ядро-мантия. Для описания орбитального движения планируется использовать аналитическую теорию движения Луны (Chapront et al., 2002;2003). В качестве первого приближения для «запуска» итерационного процесса планируется взять аналитические ряды ФЛЛ, полученные Ж.Шапроном (Chapront et al., 1997, 2003) – наиболее точное на сегодняшний день решение для твердой Луны.

3. Будут использоваться специальные формы уравнений движения указанной модели Луны в переменных типа переменных Андуайе и классические методы теории возмущений. В частности, будут получены аналитические выражения для основных характеристик резонансного вращения Луны, которые будут определены по наблюдениям в японском проекте SELENE и в других реализованных (LLR) и планируемых проектах исследования Луны (ILIOM, Hanada et al., 2000, 2005). Аналитические выражения для частот и соотношений амплитуд свободных либраций Луны и для постоянных составляющих угловых смещений Луны относительно движения по Кассини будут содержать параметры ядра Луны и ее эластичности, которые будут оценены по результатам сравнения с данными наблюдений лунных аппаратов. Будут выполнены оценки влияния диссипативных факторов на особенности свободных и вынужденных либраций Луны.


4. Методы структурного анализа внутреннего строения, разработанные для Земли, могут быть успешно использованы и для Луны, но необходимость принимать во внимание, что резонансный характер ее орбитально-вращательного движения существенно усложняет математическое описание этих процессов (Баркин,1989, Gusev,1997). Предполагается рассчитать и проанализировать модель Луны, содержащей твердую силикатную мантию и жидкое железное ядро (ρ =5.3 – 7.2 гр/см3) с небольшой примесью серы (7% – 15 % по весу). Следуя методу Хетино (Getino et al., 1997; 2000), на основе разрабатываемой в проекте теории лунного вращения планируется получить для Луны нормальные ротационные моды свободных колебаний – Чандлеровы Колебания (CW) и Свободная Нутация Ядра (FCN). Поиск этих ротационных мод следует включить в либрационные наблюдения проекта SELENE B –ILOM project (Hanada 2000, 2005, Heki, 2000) Будет учтена турбулентная диссипация в слое на границе ядро-мантия. Значение коэффициента диссипации будет рассчитываться в соответствии с коэффициентом добротности Q, полученным из LLR-данных (Williams et al., 2001). Моделирование периодов при различных значениях плотности и размеров ядра и турбулентного слоя укажет оптимальные условия для решения обратной задач геофизики Луны. Из анализа зависимости периода свободных нутаций (PFCN) от радиуса и плотности ядра могут появиться важные индикаторы выбора модели при интерпретации либрационных наблюдательных данных в предстоящих лунных миссиях (Kawano, 2003).

В качестве первого приближения, мы предполагаем рассмотреть простую двухслойную модель (упругая мантия + жидкое ядро) внутреннего строения Луны для оценки отклонений от гидростатической равновесной фигуры и анализа возможности обнаружения этих отклонений из траекторных измерений. Кроме того, будут изучаться нестационарные деформации в приливах, вызванных Солнцем и Землей, как еще один физический процесс, характеристики которого существенно зависят от особенностей внутреннего строения.


5. Для адекватного решения задачи ФЛЛ на компьютере предполагается развитие существующей версии специализированного процессора PSP (Poisson Series Processor), предназначенного для манипулирования с чисто полиномиально-тригонометрическими рядами, для обеспечения символьных преобразований над эшелонированными рядами Пуассона. Эшелонированный процессор EPSP (Esheloned Poisson Series Processor) необходим для изучения резонансных явлений при построении высокоточной аналитической теории спин-орбитального движения Луны. Одним из основных достоинств EPSP будет повышение его эффективности за счет создания более быстрых алгоритмов перемножения и сортировки рядов. Планируется тестирование процессора на основе уже построенных моделей ФЛЛ, построение теории двухслойной Луны.

6. Спин-орбитальная эволюция ранней Луны.

Изучение роли резонансов в динамике системы Земля+Луна мы предполагаем начать с построения новой детальной математической модели. В рамках этой модели должно учитываться орбитальное и вращательное движение Земли и Луны, возмущение от Солнца, приливное трение. Так как приливное трение является главным фактором, определяющим вековую эволюцию системы, планируется провести критический анализ гипотез, использованных в предшествующих исследованиях для моделирования приливных эффектов. В частности, мы надеемся, что быстрое развитие наших представлений о строении лунных недр и происходящих там процессах даст нам шанс точнее оценить выделение энергии в результате приливных деформаций.

В качестве вспомогательного средства для изучения «нерезонансной» вековой эволюции орбиты Луны, обусловленной приливным трением, будет разработана методика, использующая интегрируемость двукратно осредненных уравнений задачи трех тел в приближении Хилла как отправную точку для применения методов теории возмущений. Необходимые сведения об эволюции движений в исходной системе приведены в классических работах М.Л.Лидова (1961) и Y.Kozai (1962). Выделение энергии при приливных деформациях определяется значением диссипативных факторов Q Земли и Луны. В разные эпохи диссипативные факторы могли иметь разные значения. В наших расчетах изменение Q-фактора Земли со временем будет происходить в соответствии со сценарием, предложенным в работах В.М.Киселева.


Построенная на первом этапе исследований математическая модель будет использована для исследования различных резонансов в динамике системы Земля-Луна. Особое внимание будет уделяться возможным долговременным захватам в резонанс. На основе современной математической теории резонансных явлений (Арнольд, Белецкий, Нейштадт) будут установлены условия, при которых такие захваты действительно наблюдаются.

Рассмотрение динамической истории системы Земля-Луна планируется завершить оценками нагрева лунных недр, обусловленного приливными деформациями в резонансных движениях. Будут проанализированы модели ранней спин-орбитальной эволюции системы Земля-Луна с учетом захвата в резонансное вращение и дифференциального вращения лунного ядра. Усиление резонансной диссипации в мантии и ядре, вызванное небесно-механическими резонансами, будет проанализировано с точки зрения дополнительного разогрева океана магмы и образования конвективной структуры лунной мантии, с возможным экстремальным переносом тепловой энергии и вещества в форме восходящих плюмов-интрузий.

7. Используя данные КА «Зонд», Clementine, Lunar Prospector, предполагается провести исследование рельефа, физических, минералогических характеристик лунной поверхности в районе крупнейшего в Солнечной системе кольцевого бассейна Южный полюс – Эйткен в сравнении с другими топографическими аномалиями.

В ходе этой работы предполагается провести анализ работы съемочных систем полярного спутника в рамках проекта “SELENE” при наблюдениях на низкой орбите: а) применимость точных методов аналитической фотограмметрии; б) возможности фотокамер с точки зрения использования принципов динамической фотограмметрии, в) оптимизация технологии съемки лунной поверхности для решения задач селенодезии. Предполагается также оценить реальную точность метода определения высот на основе световой локации лунной поверхности с орбиты, особенно в горных областях и проанализировать сам метод с точки зрения его применения для решения классической задачи селенодезии – определение пространственных координат элементов рельефа. Подобные исследования ранее не проводились. Их результаты могут повлиять на развития самого метода лазерной локации в применении к топографии Луны.


Предполагается провести сравнительный анализ общей модели топографических аномалий и распределения крупнейших бассейнов Луны, детальную фотограмметрическую обработку оцифрованных снимков обратной стороны Луны в районе низменности Юго-Западной, бассейна Южный Полюс – Эйткен и бассейна “Восточный”. Отработка методов обработки снимков с «Зонда» позволит подготовить базу для их применения к наблюдениям с полярного спутника в рамках проекта «SELENE».



следующая страница >>