地球环境学
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地球环境学 H.W-1 591235024 陈明辉
592235023 黄宗焜
阿波罗17月球重力测量
於1973年的阿波罗遣队,在月球这一个天体上,使用重
力测量方法,其明显的目的,在於接受地球以外,重力测量的
挑战任务.另外特殊目的,是暸解地球与月球之间引力束缚关
系,并调查研究阿波罗17登陆地—金牛座(Taurus-Littrow)凹
壑区的地质结构.金牛座凹壑区,位於南北两大山块之间,此
区山谷拥有的特质将会被测量.
美国国家航空暨太空总署(NASA)组成一组实验队,我是
担任研究横贯重力实验(TGE)的主要调查员,这科学组织队其
他成员,为史丹佛大学的乔治.汤玛生,布莱恩.丹,汉滋.
格特卡欧在苏黎士ETH及在麻省理工学院实验室的谢尔登.
别克.在月球上的测量,交由阿波罗17上两位太空人:俊.
塞曼(Gene Cernan)及捷克.逊尔特(Jack Schmitt);第三位太空
人,为在这次太空旅途中,停留在太空船中的李.亚尔巴(Lee
Evans).这些太空人的角色,於这次实验似乎无明显重要,但
他们勤奋,热情地完成测量是绝对重要关键.
(图 1) 概要显示Bosch-Arma 双弦震动加速器.
这份报告大部份是根据汤汪民及其他人报告(1973年),也是美国国家航空暨太空总署(NASA)初步
报告的一部份 13-1----13-13,1973.以下缩写文字用常於本篇文章:ALSEP:阿波罗月球表面实验封装
体;EVA:舱外活动;LM:登月舱(登月小脡);LRV:登月漫游车;SEP:表面电性器材封装体;TGE:
横贯重力实验;VSA:弹弦震动实验.
测量仪 使用於横贯重力实验中的Bosch-Arma 弹弦震动实验,是利用双弦仪器(图1),当感应器
处於正常垂直位置上,介於两弦线间不同频率△fn,会被得到以下列公式:
△fn=k0+k1g+k2g +k3g +………………………….(1)
使用双弦仪而不用单弦仪的理由,是简化高阶项的系数值,且引起震动相关联的加速度,将无法於
偶数项上作线性修正,而从测得重力引力值上去分析,是很困难的,当在派遣之前常数k0,k1,k2与
k3已都被测量出,k0值能数值转变,在计算任何转变值中,k0值的独特测量方式,是在反转模式下,
利用反转感应器和记录频率来获得数值:
△f i= -k0+k1g-k2g +k3g +…………………………(2)
利用△fn减去△f i,假设k2值不能转移,k0值就能计算出.利用各个VSA中频率介於9.25~9.75KHz
的弦线,其输出频率的实际值在不同频率下,标准与反向位置分别为28与14Hz;月球重力值约为
163000mGal.
测量准确度要求在0.1mGal以来,VSA量得的不同频率,必须测量到百万之一.不同频率周期的
简单计算,不可能花长时间去算.利用不同频率△fn,产生经过1536个循环来克服这个困难,利用准确
度125~Hz的钟,在正常情况下,1536个循环的大小(共计约55秒),去计时震动,可即时量出在反向模
式下,使用循环须以384循环△f i (几乎为27秒)来做;测量精准的周期数,大概分别为6.9百万与3.4
百万,如此小於1分钟的测量法,是必需精准达到.
我们注意到在与地球重力不同的地方,使用弦震动测量仪器比弹簧测量仪明显可行,弹簧测量仪的
基本构造在阿波罗17的旅途中,无法运用於表面重力实验.
温度监控 因为月球无大气的情况下,从有阳光到阴暗处,其间温度变化极大,所以,准确成功地
监控温度感应器是非常重要的,因为VSA感应器,易受温度的变化影响,而VSA被装於精密地利用均
衡比例控制运转电热器的炉箱中,以保持在固定温度322K,不超过0.01℃.电阻温度计是监控项目之
一,精密的炉箱被包装於一个外炉,使热量保温整个仪器,仪器上方有一散热器来调节温度,在TGE
上有两个数字显示器,显示两个炉箱温度.
当太空人进行舱外活动时(在获得重力读数後),散热器向左关掉;仪器利用电能所产生之热度,来
减少炉箱热度变化,在舱外活动中,仪器被放於阴暗处,散热器打开,并将热气排出太空中.
水平校正 为了测量重力-横贯重力仪,须平放不超过3arc秒,以致偏离水平不多於0.06mGals,
其目的是防止任何误差产生,仪器被平稳摆放於,利用两个垂直摆锤所做成的平衡座上,比较测定机以
绕行的方式,测出摆锤的垂直偏向,并以此资讯来做为旋转动力的条件,通常转动平衡座直到摆锤垂直
为止;旋转动力有两种方式,当摆锤偏离垂直向超过32arc秒时,旋转动力变快,当在32arc秒之内,
其旋转动力变慢,以避免超过.另一套相似的摆锤,在反向颠倒模式下,一向平行於横贯重力实验,水
平校正的时间标准为0~20秒,在反向模式时间为90~130秒,假如仪器能始放於远离小於15度的水平
表面上,水平校正就能顺利达到完成.
TGA外面结构物质描述 横贯重力仪外围结构,为一个平坦底部圆柱状体,仪器顶部有一携带用
及不使用时锁住骨架的摺叠式手把,仪器利用底部有三个支脚来平放於月球表面上,可开可关的散热器
位於顶部,顶部也有九个数字的显示仪表,前7个数字是提供重力值,读数8 与读数9 是提供温度计
值,热量保温层提供绝缘隔热并包围整个仪器,散热器及显示仪表被安装绝缘绝热套.
作业 携带重力测量TGE,摆放於水平不超过15度的表面上,在仪器尚未正常运作时,三分钟时
间是为了考虑到完整的读数,除非按了获得读数的按钮.GRAV,READ,BIAS 三个按钮,位於仪器的
顶部,标准读数需由按GRAV钮开始,周期测量从仪器水平校正开始,闪光灯会亮起显示,当仪器於垂
直面不超过3arc秒时,闪光灯会不闪砾.不同弦频率测量开始运作,在这频率测量期间,灯会持续亮著,
当灯消失後,重力读数可於显示器前七数字键读取,显示器会停留二十秒,之後须按READ钮打开显示
器,按BIAS钮,则以相似的测量方式,测量反向位置的重力读数.
(图 2) 太空人与TGE,月表不是蓝色的,但TGE 蓝
色的.
(图 3) 阿波罗17 在金牛座高地上,EVAS及重力站之位置(红
色),测站 1 为SEP及ALSEP到登月舱关闭处,它们未个别显示.
测量 在舱外活动期间,太空人携带横贯重力仪在登月漫游车上,此时,有一个问题浮现,在漫游
车(Rover)上作横贯重力实验时,重力读数是否可获得 是否每次测量横贯重力实验,就必须放在月球表
面上 在漫游车上测量读数,对於太空人来说,是非常方便,因为他们不须要搬运横贯重力仪到很远的
地方,才弯腰放下.(图 2 ) 另一方面则是 Rover这设备对振动很敏感.在相同的位置走进及离开 Rover
时 ,读数会在 4.6- 6.9 mGal 之间,由於对这一差别的原因不清楚,但是,-6.0 mGal 是为在漫游车
(on-Rover)上所修正的经验值范围.对於从急任务(postmission)的测试与剩下的飞行模式均适用这些修正
值.当重力仪的手把不协调时,重力仪读数被暂时性的转换,以确定指令,虽然这转换少於6 mGal经验
值 .
重力仪漂移 是在横贯重力仪移动七小时周期的任务前被决定,它与每一个 EVA的持续时间是一
致的,重力仪要漂移,基本上是零.为了估算它在月亮上的漂动,在登月舱上做了几个读数,另外读到
一个因为TGE支脚撞击的错误数值,与第一读数相较而论,其後所有读数都呈负值(到达 -3.2 mGal ).
但是,因为没注记任何可辩明的漂移模式,并没有采用任何一个漂流数值.
测量和修正值 在月表上总计制造了二十六个读数 (图 3 ).在舱外活动前有三个读数 ( 1,10 ,和18 )
用於学习这设备的热状态,我们不能从这三个读数中得到重力值.
建构TGE的电子阶段锁警报,如果在阅读期间干扰这个设备,在显示开始的三个数字应为零,如此
是读数 8 的情况,因此,被放弃了.
有九个读数是在这登月舱产生的,有六个读数 ( 3,9,11,17,19 ,和 25 )为TGE在月球表面的垂直位置
上测得.在每个舱外活动的前端及末端各产生了一个读数,两个读数 ( 4 和 26 ) 是决定k0在开始及结
束间测量的偏差值.读数 2 在 LRV产生,并比较 "on LRV" 及 "off LRV" 的测量值,类似的比较在出
现在测站8(读数 22 ) 及测站9 (读数 24 )中.除了LM的读数以外,在不同地点(读数 5,6,7,12,13,14,和 23 )
出现了11个其他的读数,它也应该注意测站1,即 SEP 及 ALSEP 在登月舱间彼此很密切.
读数3中 "off LRV" 在登月舱是被接受的,它是为基本值△g,并且获得了在其他测站取得的相关
值.计算获得了k1=0.0001318 Hz/ mGal 的值,并且忽略 k2 和 k3,因为其重力值△g很小.
在登月舱座落处选定基准高度,这测站(station)的海拔高度是所有测站中最低的,为了计算自由空间
(free-air)修正,使用了 2gm/r 公式,其中 gm 是在月亮上的重力; r 是月球的半径.这值近似 0.19 mGal
/ m,河谷平原(valley floor)座落在登月舱正下方,而南北中央脊(massifs) 座落於登月舱两边.对於河
谷平原和两个中央脊作布盖(Bouguer)修正计算.以下的内容解释密度的选择,Table l 是提供高度及重
力的资料.
密度的选择 由两种方法可以决定月球样品密度的实际值.第一种,做一个铝箔大小的容积,或精
确挑选样品并透过测量它们的线性尺度,决定样品的体积挫败模型,对於一些小样品的密度值使用阿基
米德原理直接测量.角砾岩样品的密度通常在 2.3 - 3.0 gm/cc;马(Mare)玄武岩样品是 2.8 - 3.4 gm/cc.
多孔性的值被少数样品所决定的,也产生以多孔性为主的密度图,同时,样品的内在密度也被定义,这
三个玄武岩的值是 3.25 - 3.49 gm/cc ;角砾岩样品的值是 2.99 - 3.14gm/cc.
第二种是把密度作为计算布盖修正之用.北中央脊和南中央脊的地块,是同月球高地的一部分,由
高度碎裂的岩石和角砾岩构成,另外一项假设:河谷平原由马玄武岩所沈淀组成的.对於高地的物质,
认为过去所收集的角砾岩样品是这些地块中物质密度的代表.对於河谷平原的物质,认为比内在密度为
小的月玄武岩所组成;对於高地物质密度显示可能因为渗透性有极大的范围.
因此相信,形成厚的玄武岩和高地角砾岩物质
之间的密度比应该至少为 3.2-2.8 = 0.4 gm/cc,最多
为 3.3-2.3 = 1gm/cc .为了此山谷中玄武岩厚度的
计算,我们采用的密度比为 0.8gm/cc.
建构模型 采用 Table l 中的布盖异常值来构
造一个简单架构模型,假定二维计算的布盖异常及
取得的架构模型,在由玄武岩组成的次河谷平原及
角砾岩化的高地物质采用了 0.8 gm/cc的密度比,使
用这个密度比,可假设河谷平原下躺著 1km厚的玄
武岩物质.(如图 4)
较大的布盖梯度在陡峭的河谷侧面是假设含玄
武岩物质的物体,此物体在南侧河谷内部达 1km,
在北方已经进行了类似观察,如果模型轻微地改变
以更适合此布盖曲线.
(图 4) 假设模型的次河谷密度可解释这布盖异常,高度及
深度参考基准高度(0m),此为LM所在地,阴影矩形部份代表
在河谷内玄武岩物质之假设体及角砾岩化的高地物质,△ρ
是实际的密度比
地球-月亮重力系 正常的读数 3 和经转换过的读数 4 在金牛座( Taurus-Littrow)谷与在登月舱获
得 k0 的值为 7.21591Hz .实验室测验的预估值是 7.2144Hz,期间的转变量是 0.0015Hz 与大约 11 mGal
的偏差转变.在振动和读取期间与偏差的转变作比较时较为合理.常数 k1;k2 和 k3 是在起飞前测验
期间获得的,对於上面所述金牛座( Taurus-Littrow)地点产生 162694.6 mGal 的值是为一个常数值.
正常的读数 25 (基础方面)和经转换过的读数 26,在登月舱做第三次舱外活动结束前,获得了第二
个值为 162701.5.然而,当测站 9 到登月舱横越时,安装在 TGE 的支脚因摇摆松动和登月漫游车相撞
击.我们相信这个震动会使得此第二个读数更不可靠.因此,采用了 162694.5 (+5)或(-5) mGal 的初始
测定值.
结论 在金牛座(Taurus-Littrow)谷得到了 162694.5 (+-5mGal) 的值,这是在天体的表面上唯一的
重力测量.
越过金牛座谷描绘构建了 A2D 重力轮廓,河谷侧的布盖异常值比在 LM 低约 25 mGal.就任一侧
面的物质而言,在河谷平原下面的是密度比为 0.8gm/cc 且厚达 1 公里的玄武岩物质,是可以解释这异
常曲线.
在月亮测量重力是一个很大挑战.来从事这项任务,NASA花费众多的人力及物力,而且太空人做
重力测量任务背负很大的风险.
离开 Saturn V 火箭,Gene Cernan等人在任务结束前扔掉 TGE (它仍然在座落於那里由以後的太空人
去发现),以上二件事,永远铭记在我的脑海中.
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