Природа и эволюция поверхности Луны

Успешное осуществление мягкой посадки на лунную поверхность космической станции «Луна-9» — новый этап в изучении природы Луны, начало прямых экспериментов на ее поверхности.

Земля — Луна — единственная в своем роде «двойная планета» солнечной системы. Фундаментальная проблема происхождения Луны рассматривалась многими исследователями. Результаты оказались довольно противоречивыми. Однако не представляет сомнения качественный вывод, сделанный еще Дж. Дарвиным в его классическом исследовании приливной истории системы Земля — Луна. Дж. Дарвин считал, что приливное трение, обусловленное главным образом мелководными морями, должно непрерывно замедлять вращение Земли и вместе с тем, увеличивая момент количества движения Луны, расширять ее орбиту. Следовательно, Земля в прошлом вращалась скорее, а Луна находилась к Земле ближе. Заметим, что «вековой эффект» приливного трения при меньших расстояниях был существенно больше, чем теперь.

Постепенное удаление Луны от Земли подтверждается непосредственными наблюдениями. Известно, что и в настоящее время продолжительность суток увеличивается. Далее, исследования структуры кораллов показали, что в раннем палеозое сутки составляли около 20 часов и число дней в году было больше.

Для решения проблемы происхождения Луны нужно было бы рассчитать, на каком расстоянии от Земли находилась Луна в самом начале формирования солнечной системы. Как показывает изучение метеоритного (и, следовательно, астероидального) вещества, солнечная система образовалась около 4,5 млрд лет назад.

Однако сделать достаточно уверенный расчет приливной эволюции системы Земля — Луна в настоящее время еще невозможно. Во-первых, нельзя сказать, как происходило постепенное накопление океанских бассейнов и как изменялось приливное трение. Во-вторых, сейчас установлено, что в приливных явлениях значительная роль принадлежит всему веществу Земли.

Дж. Дарвин, приняв максимально возможное отклонение приливного «горба» от линии между центрами Земли и Луны, нашел, что Луна должна была находиться в непосредственном соседстве с Землей всего 57 млн лет назад, что, конечно, не имеет ничего общего с действительностью. Не упоминая о некоторых противоречивых результатах, укажем, что на основании совокупности ряда исследований, включая недавние расчеты Е. Л. Рускол, можно считать, что Луна в прошлом двигалась по орбите с меньшим эксцентриситетом, т. е. более приближающейся к круговой, с меньшим наклоном к плоскости земного экватора, и наименьшее расстояние Луны от Земли составляло несколько радиусов Земли. Весьма вероятно, что на наименьшем расстоянии Луна находилась несколько миллиардов лет назад — в самом начале истории нашей планеты.

Эти выводы, вследствие неопределенности исходных данных, носят более или менее качественный характер, но они указывают, что Луна никогда не захватывалась Землей, а образовалась совместно с ней в едином процессе космической эволюции. Подобный процесс образования двойных и даже кратных тел — очень распространенное явление в космосе, и наше Солнце, сформировавшееся вследствие малого вращательного момента как одиночное тело, довольно редкое исключение. Роль Луны в процессе образования системы Земля — Луна заключалась именно в том, что еще до окончательного выделения Земли из первоначальной протопланетной массы на долю Луны пришлась наибольшая часть вращательного момента. Это способствовало формированию Земли в виде единого и достаточно устойчивого тела. Другие планеты были в иных условиях. Например, Венера — планета примерно той же массы, что и Земля, но с совершенно ничтожным вращательным моментом (Венера вращается вокруг оси с периодом около 250 суток и притом в обратном направлении), всегда находилась в устойчивом состоянии и потому не должна была «обзаводиться» спутником.

* * *

С вопросом происхождения Луны связана также ее термическая история, определяющая в значительной степени физические условия на лунной поверхности. Расчеты термической истории Луны, проводившиеся детально, главным образом в СССР и США,
имеют довольно условный характер вследствие неопределенности начальных данных. Обычно предполагается, что состав Земли и Луны близок к каменным метеоритам — хон-дритам, в которых много долгоживущих радиоактивных элементов (калия-40, тория и двух изотопов урана). При равномерном распределении радиоактивных элементов внутри массы планетного тела выделяющаяся при их распаде энергия почти полностью поглощается, постепенно повышая температуру недр. Для расчета нужно задать наиболее вероятные значения теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости на всех расстояниях от центра планеты и учесть, при каких нагревах может происходить полное или частичное расплавление вещества. В зависимости от тех или иных предпосылок разные авторы получали, что Луна на всем протяжении своей истории или оставалась твердой, или же, напротив, была расплавленной вплоть до 0,8 радиуса, считая от центра.

Центральные части Луны могли нагреться примерно до 1300° К (Г. Юри) или до 2000° К (Б. Ю. Левин, С. В. Маева). Меньший нагрев мог произойти, если радиоактивные элементы скапливались преимущественно в поверхностных слоях.

Однако эти расчеты все же не решают вопроса, может ли иметь место более или менее значительный расплав вещества Луны. Представляется сомнительным, являются ли хондриты наиболее характерным материалом состава Луны и планет. В последнее время первичным веществом принято считать углистые хондриты. Далее, помимо распада долгоживущих радиоактивных элементов могут быть и другие источники нагрева, а именно обычный гравитационный нагрев при быстром сжатии образующегося космического тела. Нужно учесть и выделение химической энергии при образовании сложных молекулярных соединений, входящих в состав Луны. До сих пор неясна роль коротко-живущих радиоактивных изотопов, которые, по последним данным, должны были играть существенную роль при формировании асте-роидального, а следовательно, и планетного вещества. Наконец, в первую эпоху своего существования, когда Луна находилась сравнительно близко к Земле, значительное влияние должна была иметь энергия приливного трения. Таким образом, проблема термической истории Луны не может быть разрешена чисто теоретически. Необходимо сопоставление разнообразного наблюдательного материала.

Первые определения лунной температуры, основанные на измерении инфракрасной радиации, проводились еще в 1868 г. лордом Россом, а затем более детально, начиная с 1927 г., Э. Петтитом и С. Никольсоном. В среднем температура подсолнечной точки оказалась около 390° К, а в антисолнечной точке довольно уверенно получилось 120° К. Максимальное значение температуры, которое приходилось измерять, составляет 405° К. Итак, за время лунных суток амплитуда температурных колебаний составляет около 280°. Это одна из важнейших величин, характеризующих условия на Луне. С восходом Солнца температура поверхности быстро повышается, проходит довольно пологий максимум и затем сравнительно медленно достигает минимального значения. Интересно, что резкие скачки температуры (свыше 200°) наблюдаются даже во время полных лунных затмений, которые имеют сравнительно небольшую продолжительность. Все это означает, что солнечная радиация нагревает только наиболее поверхностные слои лунного покрова, что теплопроводность лунных пород ничтожна и, как показывают расчеты, должна быть примерно в тысячу раз меньше теплопроводности типичных земных минералов.

Важно подчеркнуть, что распределение температуры зависит от отражательной способности данного участка поверхности Луны. Так, кратеры с более высоким альбедо нагреваются в течение дня несколько меньше окружающей области. Вообще гористые районы нагреваются меньше, чем более темные моря.

Интересные результаты недавно получены радиометодами. Например, В. С. Троицкий измерял интенсивность лунного радиоизлучения на длине волны от 3 до 70 см. Эффективная глубина испускания излучения примерно в 20 раз больше соответствующей длины волны. Следовательно, длине волны в 30 см соответствует глубина испускающего •слоя в 6 м. Поэтому исследование длинноволнового радиоизлучения позволяет проникнуть во внутренние слои Луны и получить сведения об их термических свойствах. Комбинируя эти данные с измерениями теплопроводности, можно сделать оценку потока энергии из внутренних слоев Луны.
Проведя многочисленные измерения и применяя в качестве стандарта излучение «искусственной Луны» — диска, поставленного на расстоянии нескольких сотен метров от приемника излучения, В. С. Троицкий получил, что средняя температура Луны быстро увеличивается до глубины примерно 6 м, а затем возрастает значительно медленнее. Общий тепловой поток от Луны оказался примерно таким же, как и от земной поверхности, хотя масса вещества, соответствующая единице поверхности Луны, в пять раз меньше. Выделение теплоты внутренними областями Луны на единицу массы по данным В. С. Троицкого в 4—5 раз больше, чем это имеет место для Земли.

Казалось бы, это подтверждает гипотезу, которой в частности придерживается Б. Ю. Левин, о значительном расплавлении лунного вещества. Однако можно привести доводы в пользу того, что в основном Луна должна быть совершенно твердой.

В самом деле, как известно, данные о термической истории и внутреннем строении Марса приводят к выводу о том, что у этой планеты нет жидкого ядра значительных размеров. Марс имеет массу в 9 раз меньшую земной. У него отсутствует ощутимое магнитное поле. Магнитное поле Луны также очень незначительное, а ее масса в 81 раз меньше массы Земли. Поскольку тела меньшей массы охлаждаются быстрее, естественно ожидать, что Луна в основном твердая.

С другой стороны, форма Луны значительно отличается от фигуры равновесия жидкой массы, соответствующей современному расстоянию от Земли при сравнительно небольшом приливном воздействии. Вытянутость лунной фигуры по отношению к Земле составляет 1 км, в то время как в условиях равновесия она может быть не больше 60 м. Отсюда как будто следует, что Луна должна была почти полностью стать твердой еще на сравнительно небольшом расстоянии от Земли (соответствующем периоду обращения в 6,8 суток) и после этого продолжала сохранять свою форму.

Заметим также, что несмотря на более высокую температуру в центральных областях Луна могла все же сохранить твердую структуру (вследствие значительного давления) и лишь вблизи поверхности температура плавления могла понизиться настолько, чтобы обеспечить возможность хотя бы частичного расплава.

Для решения вопроса о внутреннем строении Луны необходимо провести ее зондирование сейсмическими методами. Пока же приходится ограничиваться анализом рельефа лунной поверхности и его изменениями в прежние эпохи.

* * *

Самый беглый обзор лунной поверхности несомненно доказывает, что лунные моря возникли в результате обширного расплавления, при котором оказались частично затопленными более древние кольцевые горы. Например, хорошо сохранилась та часть обширного залива Радуги, которая примыкает к гористой области. Другая половина залива, расположенная на поверхности Моря Дождей, полностью исчезла.

Можно довольно уверенно проследить последовательную смену различных эпох в формировании лунного рельефа. На поверхности Луны заметны более древние кольцевые горы, расплавления, образовавшие лунные моря, сравнительно недавние детали рельефа, кратеры с центральными горками, купола и т. д. Последовательность развития лунных форм детально изучалась А. В. Ха-баковым.

Какова же причина изменений рельефа Луны? Г. Юри рассматривал образование Моря Дождей как результат наклонного удара о Луну большого астероида, но это маловероятное, хотя и возможное, событие не может быть основной причиной. Появление лунных расплавлений относится к определенной эпохе эволюции Луны и по каким-то причинам было связано лишь с полусферой, обращенной к Земле. Действительно, на обратной стороне Луны моря почти совершенно отсутствуют. Возможно, удары крупных метеоритных тел лишь способствовали проявлению местной активности.

Если считать, что образование лунного рельефа обусловлено внутренней активностью, то оно должно сопровождаться попутным выделением газов и водяных паров подобно тому, как это происходило и в слабой мере происходит теперь на Земле. Однако сравнительно слабое притяжение Луны не смогло удержать газы у ее поверхности и они довольно быстро улетучились в пространство.

Теоретические расчеты показывают, что при максимальной температуре поверхности (400° К) водород удерживается Луной лишь около двадцати минут. Кислород и водяные пары, которые быстро разлагаются под действием ультрафиолетовой солнечной радиации, могут находиться у лунной поверхности примерно полтора года. Углекислота удерживается несколько сот миллионов лет, а наиболее тяжелые газы — криптон и особенно ксенон — практически на протяжении всего существования Луны. Некоторые тяжелые газы, например углекислота, должны накапливаться, если на Луне поддерживается хотя бы минимальная вулканическая деятельность. Другие — ксенон, криптон—могли бы выделиться в процессе радиоактивного распада. Однако самые тщательные исследования Луны различными методами не привели к обнаружению какой-либо газообразной оболочки. Наиболее чувствительный метод, основанный на наблюдении покрытий Луной точечных радиоисточников, показал, что верхний предел атмосферного давления на Луне должен быть в 10 000 млрд. раз меньше, чем на Земле на уровне моря, т. е. практически Луна совершенно лишена атмосферы.

Выделение газов из центральной горки кратера Альфонса наблюдал Н. А. Козырев 3 ноября 1958 г. и 23 октября 1959 г. Удивительно, что это оказался не водяной пар или какое-либо соединение кислорода, а молекулярный углерод Сг, который обычно входит в состав голов комет, но никогда не выделяется на Земле. Отсутствие каких-либо газов, которые могли бы удерживаться достаточное время у лунной поверхности, можно объяснить воздействием солнечного ветра, сдувающего в межпланетное пространство малейшие следы лунной атмосферы.

* * *

Заслуживают особого внимания топографические свойства Луны. Как известно, на Луне преобладают кольцевые образования. Это — обширные кольцевые горы диаметром свыше 200 км (например, Клавий), обычные кратеры (часто с центральными горками) размером в несколько десятков километров и мелкие лунки поперечником всего лишь в метры.

Даже лунные моря, размером в тысячи километров, если онп изолированы и не накладываются на другие подобные образования. имеют весьма правильные круговые очертания, например Море Кризисов и ряд других. Кроме того, па Луне встречаются полигональные формы, шестиугольные валы, расположенные на более или менее ровном грунте. Они впервые были отмечены известным селенологом П. Пюизе и особенно ясно представлены около Северного полюса. Этот же исследователь обнаружил в Море Спокойствия «купола» — небольшие круглые выпуклости. В дальнейшем много куполов было открыто и в других местах Луны, главным образом на поверхности морей, где их легче заметить. В верхней части купола обычно имеется отверстие вроде вулканического жерла. Кроме того, внутри морей и больших кратеров много бороздок, обычно располагающихся вдоль валов и напоминающих трещины. Наиболее резко выраженная система таких трещин хорошо видна в центре лунного диска около кратера Триснеккера. Там же заметна резкая бороздка. Она, проходя через небольшой кратер Гигинус, меняет направление. Эти бороздки в некоторых районах Луны образуют целые системы парал-
лельных линий, связанных с преимущественным направлением кратеров и их валов. Наконец, характерная особенность Луны — радиальные системы светлых лучей, расходящихся от отдельных кратеров с центральными горками. Они тянутся на расстояния (например, от кратера Тихо) тысячи километров и проходят, не меняя направления, через гористые и низменные области.

При детальном ознакомлении с лунной топографией обращают на себя внимание* несомненные изменения, происходившие на Луне в течение долгих периодов. Выделяются очень старые кольцевые горы, валы которых почти исчезли, как будто погрузившись в грунт. Таков, например, реликтовый цирк Стадий диаметром 60 км. Относительный возразличных деталей на Луне и ряда земных минералов — гранитов, базальтов, песчаников, а также различных конгломератов, установила резкое отличие лунных пород от земных. Оказалось, что лунные породы характеризуются малым диапазоном цвета и отражательной способности, в то время как земные минералы, особенно в горных сухих пустынях, при отсутствии пылевого покрова отличаются самой разнообразной окраской (достаточно указать на замечательную по своей расцветке горную долину, ведущую от Кении вдоль Нила до Красного моря).

Лабораторные эксперименты свидетельствуют о том, что крайняя однородность лунной поверхности может быть объяснена облучением некоторых минералов высокочастотной радиацией. Например, Б. Гапке нашел, что минералы, богатые слабо окисленными металлами — железом, медью и др., довольно быстро темнеют при облучении протонами с энергией около 5 кэв, что обусловливается образованием свободных ионов металла около поверхности.

Другая удивительная особенность лунного поверхностного слоя, отражающего солнечные лучи, заключается в характере индикатрисы отражения*. При освещении лунной поверхности больше всего света отражается в направлении, обратном падающему лучу (Напомним, что идеально матовая поверхность отражает свет по всем направлениям пропорционально косинусу утла падения.) При таком законе отражения каждый элемент лунной поверхности кажется особенно ярким, когда падающий луч совпадает с направлением отраженного, т. е. во время полнолуния. Яркость элемента поверхности почти не зависит от его наклона к лучу зрения наблюдателя. Вследствие этого весь лунный диск представляется практически одинаково ярким как в центре, так и на краях, что создает впечатление какой-то плоской тарелки, а не сферического тела. По мере уменьшения угла фазы, т. е. по мере приближения к моменту полнолуния, яркость Луны быстро возрастает и проходит через резкий максимум.

Детальное рассмотрение этих особенностей показало, что поверхность Луны в масштабе, сравнимом с длиной световых волн, должна отличаться сложной разветвленной
структурой, такой, что при ее освещении один элемент может затенять другой. Наименьший эффект получается, очевидно, когда падающий луч совпадает с отраженным. Наоборот, поверхность соседнего с нами Марса — единственной планеты, у которой предполагаются какие-то формы жизни, отличается полной гладкостью, почти совпадающей с гладкостью абсолютно матовых поверхностей. Создается, таким образом, на первый взгляд парадоксальное положение. Необитаемая Луна отличается микроструктурой поверхности, имитирующей растительность, а Марс, где имеется атмосфера и некоторые признаки водяных паров, оказывается просто песчаной пустыней. Аналогичные особенности в микроструктуре получаются и при рассмотрении поляризационных свойств поверхности Луны. Интересно, что даже наибольшая степень поляризации для всего лунного диска не превосходит 8% (при угле фазы в 90°) и лишь для морей поднимается до 20%. Сравнение с земным веществом показывает, что наблюдаемые поляризационные особенности достигаются при ветвистой или сотовидной структуре поверхности.

Причина подобных особенностей структуры лунной поверхности заключается в продолжительных (миллиарды лет!) разнообразных космических влияниях. Луна испытывает постоянные удары микрометеоритов, число которых быстро возрастает с уменьшением массы. Они разрушают ее поверхностный слой. Кроме того, Луна подвергается облучению солнечным ветром, состоящим преимущественно из протонов — положительно заряженных ядер водорода, движущихся со скоростью тысячи километров в секунду. Далее, как это можно судить по веществу метеоритов, странствующих самостоятельно в межпланетном пространстве в течение сотен миллионов лет, известную эрозию лунной поверхности вызывают первичные космические лучи. Еще одна причина эрозии — резкие перепады температуры, доходящие в течение лунных суток почти до 300°, которым Луна подвергалась за время своего существования по крайней мере 50 млрд. раз.

Облучение космическими лучами и солнечным ветром должно привести к накоплению заметного положительного заряда веществом лунной поверхности. Ранее Ж. Грейнджер оценивал его в 5 в, но теперь после расчетов С. Зингера принимают величину заряда даже в 20—25 в. Наличие заряда может понижать теплопроводность наружного слоя Луны.

Оптические особенности лунной поверхности проявляются только в масштабе тысячных долей миллиметра, так как размеры отражающих зерен поверхностного слоя Луны в среднем около 5 мк. В радиодиапазоне сантиметровых и метровых волн условия отражения оказываются совсем иными. При увеличении длины волны отражательные свойства поверхности Луны приближаются к свойствам зеркально отражающей сферы. Детальное обследование лунной поверхности при помощи радаров, начавшееся в 1946 г., проводилось на разных обсерваториях, в том числе в Серпухове под Москвой на Окской станции ФИАН СССР. Было показано, что на длине волны около 10 см примерно 50%
потока радиоволн отражается от центральной части Луны (размером 0,1 ее радиуса), а остальная энергия рассеивается приблизительно по закону Ламберта. При увеличении длины волны эта диффузная составляющая постепенно уменьшается, и Луна все больше приобретает свойства идеального отражателя. Таким образом, теперь можно судить о размерах неровностей лунной поверхности, оказавшихся в полном согласии со снимками, которые передала автоматическая станция «Луна-9». Кроме того, на основании измерения отражательной способности, равной в среднем 0,06, получено, что величина диэлектрической постоянной (примерно 2,72) соответствует сухим песчаным почвам Земли.

Сделаем несколько замечаний о люминесценции, обнаруженной около кратеров Тихо, Аристарх и в некоторых других областях Луны. Некоторые лунные породы при облучении их солнечной ультрафиолетовой радиацией, гамма-лучами и протонами высоких энергий, переизлучают энергию в области видимого спектра. Впервые на возможность такого явления указал еще Ф. Линк в 1946 г. Десять лет спустя Ж. Дюбуа и одновременно Н. А. Козырев дали способ количественного определения, основанный на измерении контуров отдельных линий солнечного спектра, которые при наложении на них люминесцирующего свечения становятся менее глубокими. Люминесценция сосредоточивается лишь в отдельных эмиссионных полосах: 390, 420, 430, 440 ммк, и яркость их по сравнению с отраженным солнечным спектром, по оценкам Дюбуа, повышается на 10—20%. Согласно М. И. Миртовой, в области люминесценции кратера Аристарха имеется полоса 450—550 ммк. Эти явления указывают, что на поверхности Луны встречаются сложные минералы, в которые входят элементы с большим атомным весом. На Земле минерал шеелит (CaWCU) — окисленное соединение кальция и вольфрама люминесцирует с такой же частотой испускания.

Луна, как видно из особенностей ее рельефа, прошла долгую и сложную эволюцию. Однако она и теперь не мертвое тело, подверженное лишь внешним воздействиям. Напротив, в отдельных частях Луны происходят изменения, правда довольно редкие, но все же заметные. Достаточно указать на исчезновение в 1866 г. кратера Линнея диаметром 10 км, расположенного в средней части Моря Ясности. Вместо него Ьсталось только глубокое отверстие диаметром около 2 км, а валы прежнего кратера, по-видимому заполнившегося массой расплавленного вещества, теперь едва только намечаются. В 1891 г. там же были замечены некоторые изменения степени белесоватости во время полного лунного затмения.

Более мелкие изменения происходят и в других местах. Так, во внутренней части кратера Альфонс подозревалось уже давно некоторое помутнение, а затем там спектроскопически обнаружили выход газов. Довольно загадочные события происходят, по-видимому, на дне цирка Платон, расположенного у северной оконечности огромного Моря Дождей. Предполагают, что видимые там светлые полосы, а также как будто и строение рельефа несколько меняются. А. В. Марков и другие наблюдатели констатировали там изменения цветности и отражательной способности. Причина этого еще неизвестна.

Некоторые наблюдатели отмечали также изменение отражательной способности радиальных зон восточного вала кратера Аристарх.
В проблеме происхождения и эволюции лунного рельефа, а также в наблюдаемых свойствах поверхности Луны еще много неясного. Однако за последнее десятилетие кромо наземных телескопических исследований стали проводиться эксперименты вблизи Луны и на ее поверхности. Полеты советских лунников и американских космических аппаратов позволяют уточнить современные представления о Луне. Эти эксперименты имеют неоценимое значение также для познания нашей Земли и других планет солнечной системы.

Оставить комментарий

Я не робот.

БЛОГ О ЗАРАБОТКЕ!
Статистика