SzeizmológiaAmiről a Hold mesél – A holdrengések természete

2018. május 5-én indult útjára a NASA InSight Mars felfedezőútja és tervek szerint 2 szeizmométert raknak le a Mars felszínére. A szonda majd félmilliárd kilométer megtétele után sikeresen célba is ért tavaly november 26-án. Annak idején az Apollo programok során 1969 és 1972 között 6 szeizmométert telepítettek a Holdra, és eredetileg a fő cél a meteor becsapódások észlelése lett volna. A műszerek 1977-ig folyamatosan küldték a jeleket a Földre, és meglepetésre közel 12 500 holdrengést...

2018. május 5-én indult útjára a NASA InSight Mars felfedezőútja és tervek szerint 2 szeizmométert raknak le a Mars felszínére. A szonda majd félmilliárd kilométer megtétele után sikeresen célba is ért tavaly november 26-án. Annak idején az Apollo programok során 1969 és 1972 között 6 szeizmométert telepítettek a Holdra, és eredetileg a fő cél a meteor becsapódások észlelése lett volna. A műszerek 1977-ig folyamatosan küldték a jeleket a Földre, és meglepetésre közel 12 500 holdrengést észleltek! A természetes eredetű holdrengések sok tekintetben lényegesen eltérnek a földrengésekétől.

Az Apolló programok során folyamatosan bővítették a Hold felszínére elhelyezett műszereket és 1969-től egészen 1977-ig összesen nyolc éven keresztül folyamatosan működtek (egyesek csak rövidebb ideig). A legtöbb adatot az Apolló-12, -14, -15 és -16 szeizmométerei adták. Három mérőállomást (ALSEP – Apollo Lunar Surface Experimental Package, Apollo Holdfelszíni Műszercsomag) egy egyenlő oldalú háromszög csúcsaiban raktak le a Holdon, aminek középpontja szinte pont a Földdel szemben helyezkedett el, és egy negyediket az egyik csúcsához közel (1-2. ábra).

1. ábra. A különböző Apollo küldetések során változtak az ALSEP egységei. Az Apollo-15 műszerei a következők voltak: központi egység, termoelektromos generátor, hőáram mérő, magnetométer, graviméter, passzív rengésmérő, szupratermális iondetektor és napszél spektrométer. (Forrás: Hamish Lindsay)

A szeizmológiai állomások 2 fő részből álltak: szenzorból és egy elkülönített elektronikus részből, ami a központi kommunikációs állomáshoz kapcsolódott. A szenzor 3 hosszú periódusú (LP – long period) szeizmométerből állt (15 másodperces rezonancia periódussal), függőleges Z és két horizontális X és Y komponensekkel. Az LPX a Kelet-Nyugat irányú, az LPY az Észak-Dél irányú és LPZ a függőleges komponenst jelöli. E három egymásra merőleges érzékelő segítségével lehet a beérkező rengéshullám irányát meghatározni. Egy rövid periódusú (SP – short period) egység is volt a műszerek között (1 másodperces rezonancia periódussal), ami a vertikális mozgást érzékelte. A szeizmométereket 15 különböző paranccsal működtették. Ezek a szintező motorok irányát és sebességét, az erősítést és a kalibrálást irányították. A Hold rendkívül nyugodt hely, maximális érzékenységgel tudtak az állomások működni. Minden szeizmométer a 0,3 nm-nél kisebb holdmozgást már észlelhette [1].

2. ábra. A Holdra kihelyezett legtöbb mérési eredményt adó szeizmométerek elhelyezkedése. A piros vonallal összekötött állomások kb. 1100 km-re, míg az Apollo-12 és az Apollo-14 egységei 181 km-re voltak egymástól. A csillaggal jelzett helyek az A1, A7 és A8 jelű holdrengések fészkei. Összesen kb. 300 fészket azonosítottak, az A1 a legaktívabb. (Forrás: NASA, Kawamura)

A Hold, akár egy hangvilla!

A Hold úgy viselkedik, mint egy hangvilla vagy harang. Ha „megkongatja” egy meteor becsapódás vagy egy nagy jel, akkor a keletkezett rengéshullámok nagyon lassan, több óra alatt csillapodnak csak le. Egy hasonló esemény a földön csak néhány percig tartó földrengést okozna (3. ábra). A szeizmikus hullámok ilyen rendkívül kis csillapodását az erősen töredezett legfelső réteg alatt található nagy keménységű holdkőzet okozhatja, mivel azokból hiányoznak a folyadékok, gázok, ráadásul nagyon merev és hideg is egyúttal (akár egy vasdarab). A másik időnként felröppenő magyarázatot, miszerint üreges a Hold, nem igazolják a holdrengések. Ahogy a Föld esetében is, úgy a Hold belső felépítését is nagyrészt a holdrengések segítették felderíteni. Ha egy rengés legalább három állomáson megfigyelhető, akkor a helyét és kipattanási idejét a beérkezett hullámok alapján jól meg lehet határozni. Minél messzebb van a fészek az állomástól, annál mélyebben található kőzeteken áthatolva jut el a rengéshullám a szeizmométerig, azaz annál mélyebb és távolabbi rétegekről kapunk ismeretet. A holdrengéseknél is a szeizmogramból számolt epicentrum függ a feltételezett holdi kőzetek anyagától, hőmérsékletétől, a nyomásviszonyaitól, valamint az eltérő tulajdonságú kőzetek határfelületeinek elhelyezkedésétől. A Holdon kilenc robbantást is végeztek, ami az égitest sekélyszerkezetét segített megismerni azáltal, hogy ekkor pontosan ismert volt a robbantás helye, ereje és időpontja.

3. ábra. A Mátra második legmagasabb csúcsán levő piszkéstetői (PSZ) szeizmológiai állomáson rögzített afganisztáni, a Richter skálán 6,2 magnitúdós földrengés, és egy, az Apollo-12 állomáson rögzített holdrengés szeizmogramja.

A természetes holdrengések négy csoportja

A szeizmométerek adatait a NASA mágnesszalagokra rögzítette, a digitalizálásuk és feldolgozásuk Yoshio Nakamura „Moonquake man” professzor vezetésével 1980-ig tartott. Az eredeti szeizmogramok mikrofilm másolatai, illetve a feldolgozott katalógus kikérhető az amerikai Nemzeti Űrtudományi Adatközponttól [2]. Az Apollo program során megfigyelt szeizmikus események alapján a természetes holdrengések négy fő csoportja különböztethető meg a mesterségesen előidézett becsapódások és robbantások mellett.

A mélyfészkű holdrengések képviselik a leggyakoribb holdrengés típust, amelyek a földi 2-3 magnitúdós erősségű földrengésnek felelnek meg. Kipattanási mélységük körülbelül 600-1000 kilométer, ami a Hold középső köpenyére esik. Ezek a mélyfészkű rengések erősen korrelálnak az árapályerőkkel, és nagyjából 300 jól elkülöníthető fészekből származnak, jelölésük A1, A2,… Az A1 ezek közül a legaktívabb. A fészkek csak néhány kilométer kiterjedésűek, és főleg a Hold Föld felöli oldalára esnek rendszer nélkül szétszóródva. Összesen 7245 mélyfészkű holdrengést azonosítottak. Havi és félhavi periodicitásuk arra utal, hogy az árapályerőkkel kapcsolatos a kipattanási mechanizmusuk. Abban a mélységben pattannak ki, ahol maximálisak az árapály feszültségek (4. ábra).

4. ábra. A sekély- és mélyfészkű holdrengések elhelyezkedése (kék és piros csillagok). A holdköpeny több mint 1200 km vastag, arányaiban majdnem kétszer olyan vastag, mint a Földé. A Holdnak kb. 480 km átmérőjű kis magja van. Olvadt állapot csak a holdköpeny alsó részében és a mag külső részében áll fenn. A köpeny felső részének szilárdsága miatt a holdkéreg nem mutat tektonikus tulajdonságokat, lényegében egy tömbben áll az egész. A Hold kérge kb. 60-70 km, ami a földi kéreg átlagvastagságának háromszorosa (arányaiban pedig tizenháromszorosa).

Az ugyanabból a fészekből származó holdrengések szinte teljesen azonos hullámformát mutatnak. Ez arra utal, hogy a rengéshullámok egy kis kiterjedésű fészekből erednek, hiszen az adott állomásig ugyanazt a sugárutat teszik meg a rengéshullámok. A mélyfészkű holdrengéseket ezért vizuálisan a hullámformák helyének a megtalálása, és annak eldöntése volt, hogy van-e köztük a Hold túloldalán levő. A mélyfészkű holdrengések elenyésző száma a Hold túlsó oldalán több okkal magyarázható. A megfigyelések szerint a Hold belseje áthatolhatatlan a szeizmikus nyíróhullámok számára, ami arra utal, hogy részben olvadt lehet, vagy nem sikerült kellő mértékben feldolgozni a jeleket. A hold túloldaláról sajnos nincsenek szeizmométeres adatok. Az olvadt kőzetekből álló külső mag a Föld esetében a földrengések észlelhetőségében árnyékzónát okoz. A Holdon is hasonló lehet a helyzet (5. ábra).

5. ábra. A mélyfészkű holdrengések eloszlása a Holdon (Forrás: Nakamura)

Nagyon ritka, ám annál erősebbek események a sekélyfészkű rengések. Nincsenek összefüggésben az árapállyal, ezért sejthető, hogy okai esetleg tektonikai mozgásokra vezethetőek vissza. Összesen 28-at regisztráltak, és nagyban hasonlítanak a földrengésekre. Méretük akár az 5,5 magnitúdót is elérheti. Szokatlanul erős a nagyfrekvenciás tartalmuk, és nagy távolságról is jól észlelhetők. A Földön már egy 4,5 magnitúdós rengés is épületkárokat okoz! Kipattanási mélységük nem több 60 kilométernél.

A Földön a rengések 90 százaléka a keskeny övekbe – a szubdukciós zónák íveibe – rendeződnek, jó példa rá Japán. A Hold esetében ilyet nem tapasztalunk, az epicentrumok elszórtan helyezkednek el (6. ábra). Yosio Nakamura feltételezése szerint e sekély holdrengések a Hold becsapódási kráterei (tengerei) körül csoportosulnak. Lehet, hogy a fiatalabb kráterek körül még tektonikai mozgások történnek, esetleg az akkor megolvadt láva hőmérsékleti feszültségével kapcsolatos mechanizmusok okozhatják a sekélyfészkű holdrengéseket [5].

6. ábra. A sekélyfészkű holdrengések epicentrum térképe a nagyobb holdkráterekkel. A nagy kék háromszög az ALSEP szondák elhelyezkedését mutatja.

A meteorbecsapódások alkalmával keletkező rengések igazából nem tekinthetőek holdrengéseknek, mert külső forrásból származnak. Segítségükkel mégis jobban megismerhetjük a bolygóközi környezetet. A Holdat ért meteoritok súlya igen széles skálán mozog: 0,5 – 5000 kilogramm súlyúak lehetnek. A feltételezések szerint a Hold felszínének felső 20 kilométerét a meteorok alaposan összetörték, feldarabolták, ami a rengéshullámok gyors elnyelődését okozza ebben a rétegben. A Földön meteor becsapódást szerencsére csak ritkán regisztrálunk. A 2013-as oroszországi cseljabinszki meteor a Richter-skála szerinti 2,7-es földrengést okozott.

A negyedik csoportot a termikus holdrengések alkotják. Ezek nagyon kis erősségű szeizmikus események, csak a szeizmométerek közvetlen közelében voltak észlelhetőek. A hőmérséklet-változással kapcsolatos szeizmikus mozgások száma több mint 300 000. Oka valószínűleg a hőtágulás lehet, mivel számuk hirtelen megemelkedett két nappal a holdi napfelkelte után, a naplementét követően pedig megszűntek. A hőmérséklet-változás miatt fokozódik a kőzetek töredezettsége, vagy kisebb elmozdulások történnek a gyengébb övezetekben, esetleg a talaj megcsúszik a hőmérsékleti feszültségek miatt. Az Apollo-17 állomás szeizmikus adatainak újrafeldolgozása 3 alapvető típusát tárta fel a termikus rengéseknek, ezek a gyors, közepes és lassú lecsengésű események. Apollo-14-en 48, az Apollo-15-ön 245 típusát figyelték meg a termikus holdrengéseknek [6].

Égi keringő többféle dallamra

A Föld–Hold távolság nagyjából 28 és 32 földsugár között változik, emiatt hol nagyobbnak, hol kisebbnek látjuk a Holdat. Égi kísérőnknek csak a forgása egyenletes, a Föld körül ellipszis alakú pályán kering, emiatt haladási sebessége a Kepler-féle törvényeknek megfelelően ingadozik. Földtávolban a Hold lelassul és kissé „túlforog”, amikor pedig Földközelben felgyorsít, a forgása lemarad, így hol a nyugati, hol a keleti oldalán látunk többet a túloldalából, mintegy 7,9°-kot. Ez a jelenség a hosszúsági libráció. Két egymás követő földközelpontbeli áthaladás időtartama az anomalisztikus hónap, hossza körülbelül 27,55 nap (7. ábra). A Hold keringési pályája valójában nem esik egybe az ekliptika síkjával (a földpálya síkjával), hanem azzal körülbelül 5°-os szöget zár be. Ezért a Hold hol az ekliptika síkja fölött, hol pedig az alatt mozog. Emiatt egyszer kissé felülről, másszor pedig kicsit alulról látunk rá, 7°-kal bepillantva a szélességi körök mentén. Ennek a szélességi librációnak a periódusa a drakonikus hónap, hossza mintegy 27,21 nap. (A drakonikus név egy mesés sárkányra utal, aki a holdcsomópontban él és a Napot vagy a Holdat a fogyatkozás során felfalja. Napfogyatkozás vagy holdfogyatkozás ugyanis csak akkor lehetséges, ha a Hold a két pont bármelyikében vagy annak közelében van).

7. ábra. A hosszúsági és szélességi libráció

A bonyolult Föld körüli tánc során változnak a Holdra ható árapályerők, és azok szélsőséges értékeinél 600–1200 kilométer mélyen holdrengések pattannak ki. Ezek a drakonikus és az anomalisztikus hónappal mutatnak kapcsolatot, egyes fészkek rengései mindkettővel (8-9. ábra) [7]. A holdrengések főként e kétféle „billegés” speciális pontjaiban pattannak ki, sőt annál nagyobb rengés keletkezett, minél inkább földközelben tartózkodott akkor éppen a Hold. Egy éles maximum van még 13,6 naponként, ami a drakonikus hónap fele. A rengések kipattanási idejében felfedeztek még két hosszabb periódust is, egy 206 naposat és egy féléveset, amelyeknek tulajdonképpen a Hold pályájának zavarai a Nap perturbáló hatása miatt. A holdrengéseket okozó fizikai hatások elemzésével nagyon sokan foglalkoznak [8] [9] és a Természet Világa korábbi számában Varga Péter indukált földrengésekről írt cikkében példaként említi az árapályerők által gerjesztett
holdrengéseket [10].

8. ábra. A Föld-Hold távolság változása a Hold keringése során, és a pillanat, amikor az A3, A33 és A233-as fészkek egy-egy rengései kipattantak. Az A33 a Hold túlsó oldalán helyezkedik el, és e fészek akkor aktív leginkább (ellentétben a másik kettővel) amikor a Hold pályája során legtávolabbra kerül a Földtől.

9. ábra. A Hold Föld körüli keringése során fél hónapig a Föld pályasíkja alatt, fél hónapig felette halad. A pillanat, amikor az A9, A22 és A89-as fészek rengései kipattantak a drakonikus hónap más-más időszakára jellemzőek

A holdrengések és földrengések összehasonlítása

A földrengésekre jellemző, hogy sokszor előrengések előznek meg egy nagy főrengést, amit aztán utórengések sorozata követ. Az elő- és utórengések térbeli és időbeli eloszlását az Omori-törvény írja le. Az utórengésekre jellemző, hogy annál nagyobb területet érintenek, minél nagyobb volt a főrengés mérete. A holdrengésekre ez nem jellemző, időszakonként rajokban pattannak ki, illetve periódikusan az árapályerők hatására. A mélyfészkű holdrengések természete még sok kérdőjelet tartogat.

A Holdon ott keletkeznek mélyfészkű holdrengések, ahol a hőmérséklet és nyomás állapotok hasonlítanak a közepes mélységű földrengések környezetére. Olyan hőmérséklet és nyomás értékek mellet fordulnak elő, ahol azt hittük, hogy nem lehetséges ridegtörés, és olyan égitestben, amiről azt hittük, hogy tektonikailag „halott” [11]. A Föld esetében 670 kilométer mélységtől kezdődő alsó köpeny anyagának magas hőmérséklete már nem teszi lehetővé a földrengéseket kiváltó rugalmas feszültség felhalmozódását, ennél mélyebben nem fordulnak elő földrengések.

A Gutenberg-Richter-féle összefüggés (GR törvény) a földrengések méret-gyakoriág eloszlását írja le. E szerint bármely területen előforduló rengések mérete (M magnitúdója) és a legalább akkora méretű rengések előfordulási száma (N) között logaritmikus kapcsolat áll fenn: log N = a – bM. A b konstans értéke a Földön a szeizmikusan aktív területeken 1 körül van. A mélyfészkű holdrengésekre ez a konstans 1,7-3,7 közötti, a sekélyfészkűekre 0,55, a meteor becsapódásokra pedig 1,3 értéket kaptak [12] [13].

10. ábra. A föld- és holdrengések természetének összevetése

A Holdrengések Geoinformatikai Rendszere

A cél egy olyan térinformatikai rendszer létrehozása volt, ami mindenki számára elérhetően, kézzelfoghatóan és könnyen értelmezhetően mutatja be a holdrengések világát. A holdrengések száma ahhoz már sok, hogy kényelmes kezelésük, értelmezésük megfelelő megjelenítési, adatbázis-kezelési keret nélkül megoldható legyen. A HGR.01 holdrengés térkép az Esri cég által kiadott ArcGIS Online alkalmazással készült. Az ArcGIS Online egy teljes, az összes eddigi ArcGIS funkciót ellátó felhőalapú, teljesen webes megoldás, melynek nincs szüksége helyi számítógépre történő kliens telepítésére. A webes térkép létrehozásánál a holdrengéseket kutató szakemberek munkájának segítését és annak megkönnyítését tartották a szerzők szem előtt [14] [15]. A nem közvetlenül a holdrengésekhez kapcsolódó kiegészítő adatokat rendszerezve, tematikusan ábrázolva egy közös információs térképen tették elérhetővé. A térképre felkerült a teljes Nakamura-féle holdrengés katalógus is, táblázatos formában. A kutatásokat nagyban segítheti, hogy azonos helyen lekérdezhetőek és kereshetőek a holdrengések eseményei [16].

Kiszely Márta

 

Irodalom


[1] NASA Headquarters, Apollo Lunar Surface Journal – ALSEP Apollo Lunar Surface Experiments Package. [Online] http://www.hq.nasa.gov/alsj/HamishALSEP.html.
[2] Az adatok egy része digitálisan is elérhető, azaz letölthető a http://darts.jaxa.jp/planet/seismology/apollo/PSE.html címről
[3] Nakamura Y., Latham G. V., Dorman H. J., Harris J. E.: (1981) Passive seismic experiment long-period event catalog, Final version, 1969 day 202 – 1977 day 273, 314 pp., Galveston Geophysics Laboratory, Galveston, 19 June, 1981.
[4] Nakamura, Y.: (2003), New identification of deep moonquakes in the Apollo lunar seismic data, Phys. Earth Planet. Inter., 139, 197–205.
[5] Nakamura Y.: (1980) Shallow moonquakes – How they compare with earthquakes. 11 th, Lunar and Planetary Science Conference. USA, Huston TX, March 17-21, 1980, Proceedings. Volume 3.
(A82-22351 09-91) New York, Pergamon Press, 1980, p. 1847-1853.
[6] Dimech J.L., Knapmeyer-Endrun B., Phillips D., Weber R.C.: (2017) Premilinary analysis of newly recovered Apollo 17 seismic data, Results in Phisics, 7, 4457-4458.
[7] Bulow R. C., Johnson C. L., Bills B. G., Shearer P. M.: (2007) Temporal and spatial properties of some deep moonquake clusters, Journal of Geophysical Research, VOL. 112.
[8] Weber R. C., Bills B. G., Johnson C. L.: (2009) Constraints on deep moonquake focal mechanisms through analyses of tidal stress, Journal of Geophysical Research, 114.
[9] Weber R. C., Bills B. G., Johnson C. L.: (2010) A simple physical model for deep moonquake occurrence times, Physics of the Earth and Planetary Interiors 182, pp. 152–160.
[10] Varga P.: (2017) Indukált földrengések, Természet Világa 148, 3
[11] Frochlin C., Nakamura Y.: (2009) Physics of the Earth and Planetory Interiors (2009) The physical mechanisms of deep moonquakes and intermediate-depth earthquakes: How similar and how different? Volume 173, 365-374
[12] Nakamura Y.: (1980) Shallow moonquakes: How they compare with earthquakes, Proc. Lunar Planet. Sci. Conf. 11th, 1847-1853
[13] Lammlein D.: (1977) Lunar seismicity and tectonics, Physics of the Earth and Planetary Interiors, 14 224—27
[14] Lázár L.: (2016) A Hold szeizmikus aktivitásának bemutatása és elemzése térinformatikai módszerekkel, szakdolgozat, Óbudai Egyetem, Alba Régia Műszaki Kar, Geoinformatikai Intézet
[15] Lázár L., Kiszely M., Földváry L., Gribovszki K. (2018) HGR.01: Geographic Information System of the Moonquakes, EGU2018-17555, poszter
[16] A Holdrengések Geoinformatikai Rendszere: http://arcg.is/2hnp5F5

Természet Világa

Kapcsolódó cikkek

{{ image }}

{{ title }}

{{ comments }}
{{ author }}
{{ image }}

{{ title }}

{{ comments }}
{{ author }}
{{ image }}

{{ title }}

{{ comments }}
{{ author }}