Лунная база

Шевченко В. В.

Что же мы знаем о Луне?

Принято считать, что первым исследователем Луны нового времени был Галилео Галилей. Как стало известно впоследствии, он не был первым и единственным в то время астрономом, наблюдавшим лунную поверхность в телескоп. Но, по-видимому, Галилей впервые высказал обоснованные суждения о природе земного спутника. Работы Галилея появились в начале XVII в., а к концу столетия усилиями нескольких выдающихся механиков и математиков были сформулированы начала теории движения и вращения Луны, которая совершенствовалась на протяжении всего следующего столетия. В XIX в. новое развитие получили лунная картография, лунная морфология и появились первые научные работы по изучению Луны методами планетной астрофизики.

Основные результаты в области дистанционных исследований Луны с помощью оптических телескопов и радиотелескопов были получены в середине нашего столетия. В это же время все чаще стали привлекать внимание геологов проблемы строения и развития лунного рельефа. Были построены высокоточные и достаточно подробные карты видимого с Земли лунного полушария, измерены относительные и абсолютные высоты большого числа лунных образований.

К началу космической эры было известно, что Луна относится к числу безатмосферных тел Солнечной системы, внутренняя деятельность недр прекратилась, по-видимому, в далекие геологические эпохи, оставив разделение поверхности на два вида ландшафтов - лавовые поля морей и горные страны материков. Основным видом рельефа являются кратеры, образующиеся при падении метеоритов, а поверхностный слой представляет собой рыхлое вещество, по структуре и химическому составу близкое к земным вулканическим породам.

2 января 1959 г. началась новая эпоха в изучении естественного спутника Земли. Телескопы уступили свое ведущее положение космическим аппаратам. В этот день к Луне была запущена первая ракета, головная часть которой успешно преодолела барьер второй космической скорости. Этим запуском»на траекторию полета.ж Луне была выведена автоматическая станция «Луна-1». Первый лунный разведчик прошел на расстоянии 6000 км над поверхностью Луны. Второй аппарат подобного, типа в сентябре того же года достиг поверхности нашего спутника.

До того, как летом 1969 г. на Луне высадились первые земляне, 12 автоматических станций, запущенных в СССР, и 14 автоматов, запущенных в США, успешно исследовали, Луну и окололунное пространство с орбит искусственных спутников Луны, пролетных траекторий и непосредственно на поверхности, совершая мягкие посадки в различных районах видимого полушария. Одновременно с реализацией в США программы «Аполлон» в СССР проводились запуски лунных автоматов нового поколения, среди которых были станции, предназначенные для доставки на Землю образцов лунного грунта, и самоходные автоматические аппараты - луноходы.

Покидая Луну, участники экспедиций по программе «Аполлон» оставляли на месте посадки автоматический комплекс геофизических приборов, которые затем еще на протяжении нескольких лет передавали на Землю научную информацию различного характера.

Собранные к середине 70-х годов данные легли в основу современных представлений о природе и истории эволюции Луны. В то же время в процессе интерпретации фактического материала выявились новые проблемы, для решения которых имеющихся сведений оказывается недостаточно. Пунктирная дорожка вновь поставленных вопросов приводит к задаче возобновления лунных исследований на новом, более совершенном уровне науки и техники. В конце этой дорожки возникают (пока еще неясно) сооружения лунной обитаемой базы.

С каких стартовых позиций начинается новый рывок в лунных исследованиях, что мы считаем известным и понятным в природе и развитии Луны?

Вопросы образования и ранней истории Луны продолжают оставаться предметом острых дискуссий. Нет полной ясности относительно того, где и когда сформировалась Луна как самостоятельное небесное тело. Особенности химического состава лунных пород позволяют предположить, что Луна и Земля образовались в одной и той же части Солнечной системы, т. е. рядом друг с другом. Однако разница в составе и, что особенно важно, во внутреннем строении заставляла думать, что оба тела не были в прошлом единым целым. Гипотеза отделения Луны от Земли и гипотеза захвата Луны Землей каждая по-своему объясняли известные факты. Но в равной степени и та и другая гипотезы встречались со многими трудностями. В последние годы получила распространение модель, которая больше соответствует тому, что мы знаем сегодня.

На ранней стадии формирования Солнечной системы тело размером примерно с Марс косым ударом вырвало из нашей планеты значительную часть вещества коры и верхней мантии. Для рассматриваемого периода истории нашей планетной системы подобное событие не было исключительным явлением. Соударения тел самого различного размера происходили часто - то было время массовых ударных процессов. Рассеянное вещество сначала образовало кольцо вокруг Земли, а затем процесс аккреции привел к формированию естественного спутника - Луны. Комплексное моделирование данного события на компьютере подтверждает достоверность выдвинутой гипотезы.

Средняя плотность Луны предполагает отсутствие значительного железного ядра, что резко отличает строение Луны и Земли.

Образование Луны из вещества коры и верхней мантии молодой Земли, только что претерпевшей глобальную дифференциацию, вполне убедительно объясняет указанный факт. Возможно, новый вариант ударного происхождения Луны, включающий элементы прежней гипотезы отделения, наиболее близок к истине. Но необходимы дополнительные исследования, большая часть которых должна проводиться непосредственно на Луне квалифицированными специалистами.

Итак, на самой ранней стадии существования Луны как самостоятельного тела в период 4,3-4,6 млрд. лет назад произошла глобальная магматическая дифференциация лунного шара, в результате которой сформировалась лунная кора и верхняя мантия. Процесс сопровождался весьма интенсивной метеоритной бомбардировкой и падением на поверхность молодого планетного тела фрагментов, оставшихся после аккреции. Большинство крупных материковых кратеров и огромные впадины - многокольцевые бассейны - появились именно в эту эпоху.

Светлая лунная кора, сохранившаяся в области современных лунных материков, сложена породами анортозитового состава, плотность которых меньше средней плотности Луны и составляет около 2,9 г/см³. Легкие анортозиты образуют сравнительно тонкую оболочку, мощность которой оказалась неодинаковой на видимом и обратном полушариях Луны. На обращенной к Земле стороне кора имеет толщину около 60 см, а на обратной стороне - около 100 км. Это обстоятельство повлияло на характер дальнейшего формирования лунной поверхности в планетарном масштабе.

Завершающая стадия образования гигантских круглых впадин совпала с выплавленном и кристаллизацией пород норитового состава, начавших поступать из лунных недр в процессе раннего лунного вулканизма. Внутренний разогрев, природа которого остается во многом неясной, стал поставлять на поверхность потоки лавы из расплавленных базальтов верхней мантии. На обращенном к Земле полушарии, где отвердевшая к тому времени кора была тоньше, лавы интенсивно вырывались на поверхность, заполняя низины и круглые впадины. Началось формирование темных морей. На обратном полушарии более мощная кора стала достаточно прочной преградой лавовым извержениям, поэтому невидимая с Земли часть Луны сохранила в основном рельеф древних материков.

Плотность морских базальтов составляет 3,3 г/см³, т.е. почти совпадает со средней плотностью лунного шара. Это обстоятельство служит одним из указаний на принадлежность вещества лунных морей к мантийным породам Луны.

Процесс лунного вулканизма, породивший лунные моря, имел два всплеска активности недр. Первый завершился выплавленном базальтов со средним возрастом 3,7 млрд. лет. Второй связан с выплавлением из недр базальтовых лав, имеющих средний возраст 3,2 млрд. лет. Почему так произошло, пока остается только гадать. Конечно, мы понимаем, что разновозрастные базальтовые лавы поступали с разных глубин лунных недр. Однако, почему очаги плавления поднимались к поверхности или уходили в глубь лунного шара, предстоит еще объяснить.

Общая площадь морских образований на лунной поверхности составляет 16,9%. В масштабах всего лунного шара разность средних уровней материков и морей достигает 2,3 км. Некоторые из круговых морей отличаются местными избытками внутренних масс - масконами, которые проявляются в наличии гравитационных аномалий. По-видимому, в этих районах граница коры и мантии наиболее близко поднимается к самой поверхности.

Предварительные сейсмические исследования на лунной поверхности показали, что верхняя мантия, вероятно состоящая из оливинов и пироксенов, простирается до глубины 250 км. На глубине 800 км проходит граница средней и нижней мантий. Здесь кончается твердая оболочка Луны - литосфера и начинается частично расплавленный слой нижней мантии. Такая большая глубина отвердевания пород в настоящий период истории Луны объясняет практически полное отсутствие процессов современного вулканизма. Слабые проявления активности недр можно подозревать по некоторым неявным признакам, изредка фиксируемым наблюдателями лунных нестационарных явлений. Но по-настоящему достоверные данные можно получить только в результате продолжительных исследований на самой Луне.

Наконец, на глубине 1400-1500 км можно предполагать границу лунного ядра. Предварительная модель внутреннего строения Луны включает ядро, состоящее из сульфида Железа, с массой не более 1% от массы всего лунного шара.

Последние два миллиарда лет лунный вулканизм постепенно затухал, и метеоритная бомбардировка превратилась в главный фактор формирования современного рельефа Луны. Основную массу падающих тел в настоящее время составляют микрометеориты, причем скорости, при которых происходят соударения, достигают в среднем 25 км/с.

Интенсивная переработка поверхностного слоя ударными процессами в течение миллиарда лет привела к появлению специфического рыхлого покрова раздробленных пород - реголита. Средняя толщина этого слоя равна 2-3 м. В состав реголита входят обломки различного размера, включая тонкую пылевидную фракцию. «Шуба» раздробленных пород, естественно, обладает низкой теплопроводностью, и поэтому, несмотря на значительные температурные перепады на поверхности - от 400 К. в подсолнечной точке до 100 К к концу лунной ночи, - на глубине уже около одного метра температура остается постоянной.

При массе Луны, равной 1/81 массы Земли, критическая скорость не превосходит 2,38 км/с. Скорости теплового движения газовых частиц в большинстве случаев превышают это значение, поэтому газы либо покидают окололунное пространство, либо рассеиваются на большие расстояния от поверхности. Эта условная лунная атмосфера находится в сильно разреженном состоянии и по своим физическим свойствам аналогична условиям земной экзосферы. Основные компоненты лунной атмосферы - водород, гелий, неон и аргон в сильно ионизированном виде. Наибольшая плотность газовой оболочки наблюдается в ночное время. В дневное время суток концентрация газов у лунной поверхности падает примерно в десять раз. Плотность лунной атмосферы ничтожно мала по сравнению с плотностью земной, но все же на три-четыре порядка выше концентрации частиц в солнечном ветре - одном из источников подпитки атмосферы Луны.

Луна практически не обладает глобальным магнитным полем дипольной природы. Плазма солнечного ветра и потоки энергичных частиц свободно достигают лунной поверхности и поглощаются реголитом. Величина глобального магнитного поля на поверхности не превышает 0,5 гамм. Однако напряженность местного магнитного поля в отдельных случаях может достигать 100-300 гамм. Появление этих аномалий объясняют палеомагнетизмом. Но первоисточник древних магнитных полей на Луне остается загадочным и представляет собой одну из нерешенных проблем лунной природы.

Оглавление

Титульная страница

Возвращение на Луну

Что же мы знаем о Луне?

История идеи лунной обитаемой базы

Луна - космическая лаборатория

Луна - космический завод

К Марсу с остановкой на Луне

А нужно ли это?