Сейсмика на Венере.(для справки)

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 (1018 Дж) землетрясения бывают раз в 10лет, землетрясения регистрируемые станциями каждый день (1014 - 1015Дж). На Луне за 6лет было зарегистрировано более 10000 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 - 3.000 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<<М° осциллятора с собственной частотой продольных колебаний ƒ1;
3- масса 2-го каскада усиления М2; М2<<М1 осциллятора с собственной частотой продольных колебаний ƒ2;
4- упругий элемент 1-го каскада усиления;
5- упругий элемент 2-го каскада усиления;
Усиление первичного сигнала (продольные колебания цилиндрической антенны 1) происходит при условии ƒ˚= ƒ1= ƒ2.

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=1.38⋅10 –23 Дж/K, T=3⋅10 2 K, m~1 кг, для частоты ω2 =10 2 рад/c получаем ~5⋅10 –13 м. и, полагая Q~10 2 , получаем σфл=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 10000 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

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 17-20.07.1975 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(Аотн.),
по оси абсцисс – время;
(б) – то же самое в более сжатом виде