Луна

0

Луна

Луна и ее взаимосвязь с Землей и Солнцем изучаются человечеством с древнейших времен по настоящий период все более интенсивно и успешно. Плоды этих исследований до последних лет включительно представлены во многих монографиях и учебниках. В задачи настоящей работы не входит обзор предшествующих исследований, и в этом обсуждении мы будем отсылать читателя к ним, не вдаваясь в детали, и тогда, когда речь идет о самых последних данных. Лунная поверхность состоит преимущественно из множества кратеров, которые возникли в результате столкновений с гигантскими метеоритами. Это в особенности относится к невидимой стороне Луны и материковым областям на видимой ее стороне. Большие круглые моря: Море Дождей, Море Ясности, Море Кризисов, Море Нектара, Море Влажности и Восточное Море — образованы в результате столкновений с огромными метеоритами, а неглубокие, неправильной формы моря состоят из затопленных участков с изверженным веществом, покрывающим праматерики, подобные современным материковым областям. Эти мелкие моря имеют горные массивы, проступающие через темный сглаженный материал, и могут покрывать участки, являющиеся «ударными» морями, очертания которых стерлись в результате последующих событий. Если бы такие столкновения происходили на Земле (что представляется неизбежным), все земные скальные породы, существовавшие до момента столкновения, превратились бы в обломочные. Поскольку изверженные и осадочные породы сохраняются на земной поверхности уже в течение 3,5 эона, такие многочисленные столкновения должны были произойти в более ранний период времени. Лучистые кратеры (часто малых размеров) и ряд больших кратеров без лучей несомненно формировались во все геологические эпохи времени. Большие моря имеют вид потоков лавы, или вулканического пепла, или водных озер.

Поледнее, конечно, неверно, о чем свидетельствует отсутствие воды в лунных породах, но выбор между другими возможностями остается открытым. Существуют также эндогенные взрывные кратеры, и некоторые ученые считают, что на Луне существуют кальдеры. Автор этой главы сомневается в присутствии на Луне больших кальдер. Физические константы Луны и ее орбиты хорошо известны. Часть из них приведена в таблице.

 


ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ ЛУНЫ

Гравитационное поле Луны очень детально исследовалось с помощью лунных орбитальных спутников. Установлено, что указанное поле можно представить обычными рядами в сферических гармониках только при использовании большого числа членов. Майкл и сотрудники составили наиболее подробные таблицы для констант, содержащихся в уравнении

 


 


Авторы указывают, что для математического описания гравитационного поля необходимы члены вплоть до 13-го порядка, и даже в этом случае постоянные не убывают, что свидетельствует о том, что поле тяготения Луны далеко от того, какое мы ожидали получить, исследуя движение малого тела в поле гравитационных сил Земли, Луны и Солнца с учетом центробежных сил вращения. В последнем случае члены, следующие за С2,0, должны бы быть равными нулю, что неверно. Из этого следует заключить, что распределение масс внутри Луны весьма неравномерно.

 

 

 

 

 

где А, В и С — моменты инерции: А — относительно оси, направленной на Землю, В — относительно оси «восток — запад» и С — относительно полярной оси, были тщательно изучены Козиелом, который по лунным либрациям нашел их соответственно равными 3,984 *10-4, 6,294*10-4 и 2,310*10-4. Копал получил для тех же констант очень близкие значения. Теоретические значения для пластичной Луны при воздействии приливных и центробежных сил оказываются равными 0,94 *10-5, 3,75 * 10-5 и 2,81 *10-5. Это опять свидетельствует о том, что Луна является очень твердым телом и была таковым с давних времен. Оценки значений моментов инерции показывают, что они близки к 0,4 Ма2, где М и а — масса и радиус Луны. Это значение характерно для однородного по плотности шара. Конечно, поверхностные области Луны до определенной глубины состоят из вещества с малой плотностью и должны несколько снижать величины моментов инерции. Эти области низкой плотности располагаются преимущественно на обратной стороне (возможная толщина 30 км) и ответственны за неправильность формы Луны, моменты инерции и смещение центра масс на 2—3 км относительно центра фигуры.

Трехосевая эллипсоидальная неравновесная форма Луны уже давно является для ученых загадкой. Предложены различные объяснения этого явления.

1)    Луна может представлять собой достаточно твердое тело, способное сохранить неравновесную форму, однако это не объясняет ее происхождения.

2)    Более низкие температуры на полюсах должны были бы привести к большей плотности вещества и к меньшим величинам радиуса в этих областях, но это не объясняет различия между моментами инерции А и В.

3)    Конвективные течения в Луне, поднимающиеся у полюсов и опускающиеся у экватора, должны были привести к уменьшению массы у полюсов и к увеличению массы на экваторе, но опять в этом случае моменты инерции А и В должны быть равными. Возможно, что осуществляется определенная комбинация второй и третьей гипотез сугубо специфического вида.

4)    Луна аккумулировалась из тел различной плотности, что и объясняет различия моментов инерции. Если бы имели место конвективные процессы, тогда Луна в какой-то период своего формирования должна была быть почти полностью расплавлена, так как, согласно Чандрасекару, двухъячеистая конвекция возможна лишь при небольшом ядре. Конвекция на Луне должна быть столь глубокой, чтобы на ней, в отличие от Земли, не образовались складчатые горы. Букер отстаивает одноячеистую конвекцию, которая привела бы к большей высоте невидимой стороны Луны, если восходящий поток был бы на видимом полушарии.

Мюллер и Сьегрен показали, что в различных областях видимой стороны Луны существуют значительные скопления масс, называемые масконами, в большинстве случаев связанные с круглыми морями ударного происхождения и, вероятно, во всех случаях связанные с существованием определенных локализованных масс. Эти масконы были обнаружены и картированы на основе наблюдений искусственных спутников Луны и путем прямого измерения их скоростей движения. Мюллер и Сьегрен полагают, что наблюдения достоверны для долгот между 100 и —100° и для широт между —50 и 50°. Заметные положительные гравитационные аномалии в Морях Дождей, Ясности, Кризиса, Нектара и Влажности достоверны, так же как и положительная аномалия, отмеченная несколько северо-запад-нее центра лунного диска. Восточное море является примером аномалии, которая частично положительна и частично отрицательна. Другие положительные и отрицательные аномалии, вероятно, не выходят за пределы ошибок наблюдения. Отрицательная аномалия в Заливе Радуги авторами расценивается как реальное явление. Они также обнаружили отрицательные аномалии в цирках Птолемея и Аль-Батани величиной 87 миллигал по наблюдениям полета космического корабля «Апол-лон-12» при его приближении к месту посадки. Букер и другие оценили величину избытка массы, необходимого для получения порядка 100 бар. Поскольку эти образования древние, гравитационные аномалии должны сохраняться на Луне в течение нескольких эонов, свидетельствуя о том, что Луна есть и была телом очень высокой твердости. Предлагались два пути объяснений этих явлений.

1)    Предполагается, что вещество лунных недр за счет различных процессов поднялось на поверхность в выемки, образовавшиеся в результате взаимодействия с объектами, ответственными за формирование морей.

2)    Считается, что масконы состоят из остатков самих столкнувшихся инородных объектов вместе с основным веществом, заполняющих выемки, образовавшиеся вследствие ударного столкновения.

Если основой образования масконов считать потоки лавы из недр Луны, то необходимо иметь в виду, что для создания таких отложений требуется избыточное давление порядка 50—100 бар. Источников такого давления на Луне не существует. Возможно, что вещество стекало в громадные выемки, образовавшиеся в результате грандиозных столкновений, из окружающих участков. Вероятно, волны Ван Дорна в сильно размельченном поверхностном слое Луны могли бы вызвать такой процесс, но тогда требуются специальные допущения для объяснения избытка массы на единицу поверхности. Избыток массы можно объяснить, если лава вытекает из-под соседних областей в районы морей. Недавно Сьегрен пришел к выводу, что дополнительная масса Моря Ясности заключена в околоповерхностной плите, которая могла быть образована такими лавовыми потоками.

Согласно другому предположению, породы лунных недр переместились в виде твердого вещества в гигантские полости, образовавшиеся в момент, когда появились моря; породы отличались более высокой плотностью, чем большинство поверхностных пород. Если бы они перемещались до тех пор, пока не наступит изостатическое равновесие, гравитационных аномалий не существовало бы. Если изостатическое равновесие не достигается, появились бы отрицательные аномалии. Если бы граница изостатического равновесия была бы перейдена в результате большого количества движения поднимающегося вещества или масса была бы увеличена потоком лавы или фрагментированных пород, возникла бы положительная аномалия. В этом случае следует предположить, что в чрезвычайно раздроб

ленном веществе нижележащих пород развилось бы огромное напряжение. Такое объяснение возможно, но маловероятно.

Принято считать, что внешние части Луны выдерживают значительное напряжение и что нагрев внутри Луны приводит к возникновению расплавленной массы, которая выдавливается в бассейны морей. Такое частичное расплавление на Земле ведет к образованию пород, которые менее плотны в затвердевшем состоянии (и еще менее в жидком состоянии), чем породы, из которых они образуются. На Земле потоки лавы образуют горные массивы, имеющие положительные гравитационные аномалии. На Луне заполняются низины морей. Возможно, титаножелезистый базальт высокой плотности мог бы явиться таким веществом. Однако многочисленные трещины и борозды на лунной поверхности не подтверждают гипотезы о том, что внешняя оболочка Луны способна вынести большое напряжение.

Такой механизм образования пород лунной поверхности предполагает чистый выброс пород, равный по объему произведению площади морей на глубине порядка 50 км, а это неизбежно должно привести к образованию слоя выброшенных пород в 1/10 этой толщины над площадью, в 10 раз превышающей площади Моря Дождей и Моря Спокойствия. Автор данной главы, основываясь на имеющихся фотографиях лунной поверхности, сомневается в справедливости такой точки зрения.

Гипотеза о том, что масконы являются остатками инородных объектов, столкнувшихся с Луной, основана на ряде предположений, а именно, что соударение происходит со скоростью, лишь немного большей, чем скорость убегания для Луны, что характеристики соударения можно экстраполировать, основываясь на энергетических параметрах ядерных взрывов и на случай лунных морей, и что объем чистого «выброса» лунных пород равен объему соударяющегося с Луной объекта. Такое объяснение подразумевает своего рода «заполнение». Вследствие трудности сохранения масконов, если внутренняя часть Луны имеет температуру плавления пород, предполагается, что заполнение произошло во время соударения, в ходе процессов, описанных Ван Дорном. Важно, что существует приблизительное соответствие между массами, необходимыми для образования масконов, и массами, необходимыми для образования морей. Большой избыток массы маскона Моря Дождей и масконов других морей и их продолжительное существование в течение эонов (вероятно, 4,0 *109 лет) свидетельствуют о том, что Луна является и была более твердым телом и с более низкими температурами, чем Земля, у которой изостатическое равновесие устанавливается в течение примерно 107 лет. Думается, что гипотеза о колоссальных потоках лавы и очень больших перемещениях вещества из внутренней зоны Луны не согласуется с сохранением этих массивных структур на протяжении нескольких эонов.

Интересно, что лазерный альтиметр космического корабля «Аполлон-15» показал, что для разных участков поверхности Луны наблюдаются большие различия по высоте. Области видимого полушария, вообще говоря, лежат ниже примерно на 2 км, а невидимое полушарие возвышается относительно сферы с центром в центре масс. К тому же более глубокие точки, выявленные к настоящему времени, располагаются в круглых морях, что, конечно, означает, что под поверхностью этих регионов должны залегать какие-то массы вещества с высокой плотностью. На невидимой стороне Луны имеется также очень глубокий кратер Ван-де-Граафа неправильных очертаний, и естественно возникает вопрос о существовании на этом участке маскона.

 

 

ПОВЕРХНОСТЬ ЛУНЫ

Лунная поверхность покрыта кратерами и обширными ровными пространствами. Кратеры имеют преимущественно ударное происхождение, но, безусловно, есть и вулканические. Ударные кратеры по величине варьируют от микроскопических до гигантских областей лунных морей диаметром в сотни километров. Области имеют различный возраст. Возраст старых, очень плотно покрытых кратерами районов составляет, вероятно, от 4,0 до 4,6 млрд. лет. Отдельные редкие кратеры покрывают области, которые формировались на протяжении всего геологического времени. Эти кратеры изучались многими исследователями с большой тщательностью. Однако они в основном представляют случайные события и мало что говорят об истории Луны. Птолемей и Аль-Батани имеют отрицательные гравитационные аномалии приблизительно 87 миллигал  и таким образом свидетельствуют, что эти старые кратеры возникли на твердой Луне на заре ее истории и что твердое состояние сохранилось до наших дней. К сожалению, трудно в точности сказать, какой температурный режим согласуется с этим фактом. Большие кратеры имеют центральные пики, свидетельствующие о том, что имел место «рикошет» вещества или что там находится осколок инородного тела, ударившегося об Луну. Вероятно, первое объяснение более правильно.

На Луне существуют и вулканоподобные кратеры. Таковы кратеры, окруженные темными областями, и ряд кратеров вдоль извилистых расселин. Борозда Дэви состоит из почти прямой цепочки кратеров, которые могут быть эндогенными или ударными, возникшими при столкновении с такими объектами, как голова кометы, которая раскололась на множество фрагментов под воздействием гравитационного поля Луны. Во многих случаях трудно сказать, принадлежат ли другие малые кратеры к этому классу. Решение указанной проблемы потребовало значительных усилий. Многие из этих кратеров имеют широкие устья, как если бы они возникли за счет истечения газов. (Пар — самый характерный вулканический газ на Земле! Каковы эти газы на очень сухой Луне? Вступала ли вода в реакцию с железом где-нибудь во внутренней зоне с выделением водорода, или это была окись углерода, или что-нибудь еще?) В некоторых местах наблюдаются локальные структуры лавовых потоков, особенно в Море Дождей и в Море Ясности. Кроме того, признаки вулканизма имеют, по-видимому, холмы Мария, расположенные в западной экваториальной области.

Большие моря представляют собой обширные эруптивные потоки, которые принято считать лавой, но которые могут быть вулканическим пеплом или пирогенной породой. Потоки лавы, выходящие на поверхность Земли, обычно вспенены, и потоки, выходящие на лунную поверхность, где по крайней мере в настоящее время существует глубокий вакуум, должны быть такими же, даже если в расплавленных массах содержится меньше летучих. То, что наблюдается теперь, представляет собой грунты, состоящие из мелко раздробленных кристаллических и стекловидных частиц, в которые погружены фрагменты кристаллических пород. Эти фрагменты иногда имеют полости с гладкими стенками, которые должны образовываться при кристаллизации расплавленной массы, содержащей макроскопические пузырьки газа. Они выглядят так, как если бы затвердели на некоторой глубине под изолирующим поверхностным слоем. В образовании почвы играли роль столкновения микрометеоритов с грунтом и камнями, хотя, вероятно, она отчасти имеет и пирогенное происхождение.

Большие мелкие моря — Океан Бурь, Море Спокойствия, Море Изобилия и Море Облаков — не имеют заметных, совпадающих с ними гравитационных аномалий. Таким образом, потоки находятся в состоянии изостати-ческого равновесия, указывая, что вещество потоков, вероятно, исходит из-под поверхности, где оно залегало, или что изостатиче-ское равновесие установилось для больших областей поверхности, но не для масконов, лежащих на некоторой глубине под поверхностью. Этот слой темных пород должен быть очень толстым, порядка нескольких километров, ибо горы ударного происхождения, находившиеся первоначально в этих участках, большей частью покрыты упомянутыми потоками. Указанные горные образования могли быть частично разрушены в результате мощных ударных процессов, которые привели к появлению крупных морей, но в мелких морях должны быть также глубокие «карманы» и мелкие участки. В течение многих лет была распространена гипотеза о том, что указанные темные моря образованы лавовыми потоками из недр Луны; эта гипотеза остается популярной и сегодня. Однако данные сейсмических измерений отличаются от данных, зарегистрированных на Земле, столь значительно, что для объяснения этих расхождений необходимо постулировать заметно выраженные различия в структурах поверхности. Лучшее объяснение, которое было предложено ко времени написания этой работы, состоит в том, что лунная поверхность сложена чрезвычайно фрагментированным веществом и состоит из грунта с рассеянными в нем камнями (см. обсуждение ниже).

Оценки толщины реголита существенно различны. Шумейкер и др. указывают на небольшие значения этой величины, в диапазоне от 3 до 6 м глубины в кратере, неподалеку от места посадки лунного отсека космического корабля «Аполлон-11». Копал, основываясь на глубинах борозд, настаивает на толщине в несколько сотен метров, а Зее-гер на основе изучения структур кратера Дэви считает, что толщина слоя в этой точке равна 1 км. Голд и Соутер высказывают предположение, что глубина слоя фрагментированного вещества имеет значение, равное 6—9 км. Эти оценки относятся к поверхностному слою морей. Интенсивные ударные процессы на поверхности материков должны были также привести к образованию сильно фрагментированного вещества, и, конечно же, поверхность материков подвергалась такой же бомбардировке микро- и макро-метеоритными объектами (как и поверхность морей) с момента их образования.

Большие крупные моря образовались в результате столкновений с массивными телами. Ван Дорн применил волновую теорию для исследования таких ударных столкновений и, в частности, в случае Моря Восточного отметил хорошее согласие расчетных и фактических радиусов волноподобных структур, окружающих это и другие моря, при условии существования жидкого слоя толщиной 50 км. Однако нельзя предположить одновременно существование жидкого слоя глубиной 50 км и в то же время твердой коры, поддерживающей существующие горные массивы. Возможно, сильно фрагментированный слой твердого вещества мог бы вести себя, как несовершенная жидкость, образуя под действием процессов высокой энергии волны, которые застыли, как только плотность энергии упала до более низких значений.

Каула и др. показали, что обратная сторона Луны выше, чем видимая, примерно на 3—4 км и что центр фигуры смещен к долготе 25° Е на 2—3 км. Это, вероятно, указывает на толщину коры около 30 км на обратной стороне и что кора состоит из минералов, богатых СаО, А120з и Si02, и содержит немного FeO.

Физические данные о лунной поверхности свидетельствуют в пользу того, что на поверхности морей и материков имеется сильно фрагментированный слой силикатов, что тело Луны вплоть до значительных глубин является весьма твердым и было таким большую часть времени ее существования.

 

 

СЕЙСМИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ

Сейсмические приборы устанавливались на поверхности Луны членами экипажей космических кораблей «Аполлон», и информация, полученная с их помощью, представляет большую ценность для понимания внутренней структуры Луны. Первым, самым неожиданным открытием было то, что скорость затухания сейсмических сигналов на Луне была намного меньше, чем скорость затухания на Земле. Лунный отсек космического корабля «Аполлон-12» упал на поверхность Луны со скоростью 1,68 км/сек. Энергия удара составляла 3,36 *1016 эрг. Удаление места падения от ближайшего сейсмометра 73 км. Был зарегистрирован сигнал, который достиг максимума приблизительно через 7 мин. после удара, а затем медленно затухал

в течение 54 мин. Когда на Луну сбросили ракетоноситель космического корабля «Аполлон-13» (скорость в момент удара 2,58 км/сек, энергия удара 4,63 *1017 эрг, удаление от сейсмометра 135 км), было зарегистрировано аналогичное явление, которое длилось свыше 200 мин. Если бы скорость звука была равной 6 км/сек, звуковые волны прошли бы расстояние длиной в 21 600 км, или 6-кратную величину диаметра Луны в течение 1 часа. Были зарегистрированы обе волны — Р и S (и волна сжатия, и волна сдвига). Подобные явления зарегистрированы и в самых последних полетах.

Такие результаты существенно отличаются от данных наблюдений на Земле, где сигналы угасли бы в течение нескольких минут. Другие, более слабые сигналы почти аналогичного вида наблюдались, вероятно, в результате падения на поверхность Луны метеоритных тел. Кроме того, были приняты другие группы сигналов, в которых очень точно повторялась картина регистрации, свидетельствовавшая о том, что члены группы сигналов исходят из одного и того же источника и идут к сейсмометрам одинаковыми путями. Волны и энергия долгопериодических колебаний сосредоточены в очень небольшом объеме, вероятно в поверхностном слое, главным образом в непосредственной близости от источника. Такого медленного ослабления сигналов не наблюдается на Земле, и, следовательно, должны существовать значительные различия в физических характеристиках двух планет. Наиболее очевидным из них является более фрагментированный характер лунной поверхности. Вероятно, как Океан Бурь, так и Море Спокойствия должны иметь сильно фрагментированный слой, подобный тому, который имеется на участках материков, залегающих под темным грунтом и каменистым слоем морей. Лэтэм и др. обсуждали его строение, а Голд и Соутер провели расчеты, используя модель пылевого слоя толщиной в несколько километров со скоростями звука, линейно возрастающими с глубиной, и с отражениями от наружного слоя поверхности морей. Эти две модели сходны, если вспомнить, что камни, меньшие, чем длина волны, мало влияют на распространение и отражение звуковых волн. Вероятно, пласты твердых силикатов вели бы себя не так.

Ряд сигналов воспроизводится с высокой точностью, и их нельзя приписать метеоритам, следовательно, они имеют эндогенную природу. Они чаще регистрируются в перигее и, по-видимому, «включаются» приливным эффектом. Должны возникнуть отражения от различных масс и поверхностей. Следовательно, должны существовать и обширные неоднородности структуры. Эти «лунотрясения» означают, что механическая или потенциальная энергия из ряда источников рассеивается в виде вибрационной энергии и тепла. Можно представить себе несколько источников такой энергии.

1)    Масконы погружаются в глубже лежащие слои.

2)    Неправильная форма Луны превращается в более правильную сферическую форму.

3)    Эллипсоидальная лунная орбита становится все более круговой с уменьшением большой оси. Этот эффект мог бы наслоиться на другие изменения орбиты вследствие иных причин.

4)    Конвективные процессы в недрах Луны или потоки лавы вызывают «землеподобные» лунотрясения.

5)    По мере того как Луна удаляется от Земли вследствие приливных эффектов, она, оставаясь обращенной к Земле одним полушарием, уменьшает скорость вращения, и это, вероятно, служит причиной лунотрясе-ний, а энергия вращения является источником сейсмической энергии.

6)    Небольшое сжатие и расширение возникают вследствие изменений температуры на Луне.

7)    Каменные осыпи. Однако представляется вероятным, что этот процесс за миллиарды лет успел завершиться.

«Лунотрясения», по-видимому, возникают на глубине порядка 800 км, и отражения, происходящие на подобных глубинах, свидетельствуют о том, что на этих глубинах существует определенная слоистая структура. Однако достоверных доказательств существования металлического ядра пока нет. Возможно, существует базальтовый 20-километровый слой реголита; до глубины 60 км — слой, имеющий скорость волн сжатия, равную скорости звука в анортозите, и. глубже, на неопределенной глубине,— материал, обладающий скоростью звука, характерной для дунита. Таким образом, слоистая структура, вероятно, состоит из 20-километрового слоя фрагментированного базальта, 40-километрового слоя анортозита и затем слоя дунита неизвестной глубины с источником «лунотрясе-ний» и слабым отражением примерно на глубине 800 км; какие-либо данные о наличии металлического ядра отсутствуют. Последние данные показывают, что имеется центральная область, не проводящая S'-волны

и, вероятно, состоящая из частично расплавленных силикатов. Это центральное «ядро» имеет радиус около 700 км.

Луна намного более спокойна, чем Земля с ее неисчерпаемыми источниками энергии, наиболее важный из которых — конвекция в мантии, вызванная радиоактивным нагревом. Именно она создает гигантские горные цепи, положительные и отрицательные гравитационные аномалии, порождает громадные вулканы и потоки лавы, перемещает континенты. Если конвекция существует или существовала на Луне, ее последствия должны быть очень малы по сравнению с тем, что наблюдается на Земле.

Объяснение сейсмических явлений как следствия фрагментированною слоя на поверхности в корне противоречит представлению о слое затвердевшей лавы под поверхностью. Напротив, в лунном грунте есть камни, которые образовались в результате плавления, а сложные и тщательно изучаемые закономерности «лунотрясения» указывают на существование под поверхностью Луны сложных структур.

 

 

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Самые последние измерения радиуса Луны позволили установить среднюю плотность ее грунта, равную величине 3,36 г/см3, а резко фрагментированный характер поверхностного слоя свидетельствует о том, что при оценке плотности вещества для всей Луны надо учитывать влияние пустот. Кроме того, плотность недр может снижаться вследствие высоких температур в большей степени, нежели повышаться за счет высоких давлений. Это вновь указывает на то, что в лабораторных условиях плотности минералов могут оказаться выше. Возможно, величина 3,4 г/см3 — приемлемая оценка для среднего значения этого параметра. Средние значения плотности хондритов типа L и Н в условиях низких давлений имеют величину в диапазоне 3,57 и 3,76 г/см3 или 3,68 и 3,85 г/см3, если присутствуют тяжелые минералы. Плотность земного грунта при низких температурах и давлениях может быть около 4 г/см3. Следовательно, Луна содержит либо меньше железа, либо большие количества воды и углеродных соединений, чем земные породы. Низкие содержания воды и углеродных соединений в веществе поверхности противоречат второй гипотезе. Силикаты, как показывает анализ метеоритов с содержанием железа не более 10 весовых процентов, могли бы дать нужную плотность. Углистые хондриты III типа тоже имеют такую плотность. Концентрация калия в этих метеоритах ниже, чем в других хондритах, и составляет около 360 частей на миллион вместо 850 частей на миллион. Это более низкое относительное содержание калия, и сравнимые концентрации урана и тория позволили бы первоначально холодной Луне оставаться ниже точки плавления силикатов в течение геологической эпохи.

Венке в очень полном обзоре химии Луны пришел к выводу, что поверхностное вещество Луны можно рассматривать как смесь двух компонент: одной — конденсированной при высокой температуре и другой — имеющей средний метеоритный состав. Отношение K и U составляет около 2000, тогда как в хондритовых метеоритах оно достигает 60 или 80 тыс. Это связано со значительно повышенной концентрацией U и других элементов, конденсирующихся при высокой температуре. Интересно, что это отношение для земных пород равно примерно 10 000, что свидетельствует о повышенной доле высокотемпературного конденсата в Земле.

Первые данные по химическому составу лунных пород, полученные Туркевичем и др. на основе наблюдений с помощью космических аппаратов «Сервейор-5» — «Сер-вейор-7», свидетельствуют о том, что поверхность морей содержит базальт с высоким содержанием титана и что материки имеют высокие концентрации алюминия и кальция и низкие концентрации железа. Эти результаты были полностью подтверждены впоследствии при более детальном исследовании состава образцов лунных пород, доставленных на Землю экипажами космических кораблей «Аполлон». На лунной поверхности есть несколько различных видов пород. Морские области, по-видимому, состоят преимущественно из камней типа базальта и мелко раздробленного вещества. Материковые области — из пород, характеризующихся высокими концентрациями кальциевого полевого шпата,— веществ типа анортозита. Далее, участок вблизи кратера Фра Мауро, где «приземлился» экипаж космического корабля «Аполлон-14», состоит из того, что мы называем KREEP, т. е. вещества, отличающегося высоким содержанием калия, редкоземельных

элементов и фосфора. Метеориты типа анортозитов или типа KREEP никогда не наблюдались, ни одна другая лунная порода также не встречается среди метеоритов. Обнаружены и другие типы горных пород, которые, очевидно, встречаются редко.

Существуют некоторые заметные различия химического состава у лунных, земных и метеоритных веществ.

Очень любопытное различие по химическому составу относится к европию. Этот элемент двухвалентен в сильно восстановительных средах и трехвалентен в менее восстановительных условиях. В породах лунной поверхности европий обнаруживает ясно выраженную тенденцию следовать двухвалентному стронцию и ослабленную тенденцию поведения, подобно другим трехвалентным редкоземельным элементам. Это показывает, что породы лунной поверхности образовались в сильно восстановительных условиях. Обнаруживаются лишь небольшие металлические включения железа — никеля, и до сих пор неясно, имеют ли они лунное происхождение, или это фрагменты метеоритов. Сульфид железа содержится лишь в малых количествах. Больше всего удивляет тот факт, что концентрация титана намного выше в некоторых лунных базальтах, чем в земных.

Интересны физические свойства этих силикатных пород. Базальтовые грунты состоят из весьма мелких кристаллических и стекловидных осколков. Брекчии, по-видимому, представляют собой спекшийся грунт. Имеются породы, которые кристаллизовались из жидкого расплава, они иногда содержат гладкие пузырьки, указывающие на то, что в них в процессе затвердевания присутствовали газовые пузырьки. «Образец для творения» 15 415 целиком состоит из остеклованных шариков кальциевого полевого шпата. Лунные породы часто содержат круглые силикатные включения, которые по физическим свойствам напоминают хондры метеоритов, но имеют другой химический состав. Однако идентифицированных осколков метеоритов обнаружено не было, что указывает на то, что метеориты, которые сталкиваются с Луной, разбиваются на чрезвычайно мелкие фрагменты. К тому же и лунные породы отличаются по химическому составу от метеоритных.

Поскольку Луна не имеет атмосферы, можно наблюдать радиацию высокой энергии, излученную радиоактивными элементами на большой высоте над лунной поверхностью. Такие наблюдения были запланированы Арнольдом еще при составлении программы полетов на Луну и недавно успешно реализованы членами экипажей космических кораблей «Аполлон-15» — «Аполлон-17». Эти исследования свидетельствуют о том, что морские области имеют более высокие концентрации калия, урана и тория, чем материковые, а также, что над значительными участками поверхности морей регистрируются различные концентрации указанных элементов. Кроме того, отношение концентраций калий/уран всегда ниже, чем в земных породах. Эти данные подтверждаются анализом доставленных на Землю лунных пород и показывают, что для больших участков поверхности Луны характерны химические различия. Адлер и др., изучая рентгеновскую флуоресценцию лунных пород при освещении солнечными рентгеновскими лучами, показали, что материковые участки, вообще говоря, содержат больше элементов, характерных для анортозитовых пород. К сожалению, более детальных и обширных исследований такого рода с охватом всей поверхности Луны еще не проводилось.

Представляется вероятным, что начиная с самой ранней стадии существования Луны имело место непрерывное плавление в ограниченном масштабе; похоже, что это под-твержается по мере расширения изучения лунных образцов. Небольшие лавовые потоки, обнаруженные в различных местах, могут быть более позднего происхождения. Если они выходят из глубинных недр Луны, то могут дать информацию о химическом составе глубоких недр, что будет очень ценно. Была высказана мысль, что экипаж космического корабля «Аполлон-16», совершивший посадку вблизи кратера Декарта, найдет более свежие вулканические породы, но этот участок оказался покрытым древними анорто-зитовыми породами. Экипаж космического корабля «Аполлон-17» должен совершить посадку в темном заливе в Море Ясности, вблизи кратера Литтров, где есть весьма отчетливые признаки лавового потока. Если этот поток вышел из небольшой глубины, тогда возникает вопрос: как мог сохраниться в Море Ясности большой маскон, поскольку недра Луны в этом случае должны были иметь высокую температуру, начиная от местного источника указанной темной породы и до больших глубин? Отсюда следует, что вулканический поток, если таковой есть, вышел из глубоких недр и что Луна имеет очень твердую наружную оболочку. Доставленные с этого участка образцы породы позволят получить информацию о составе недр Луны.

 

 

УГЛЕРОДИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Доказательств в пользу существования живых или ископаемых биологических форм на Луне не обнаружено. Общие концентрации углерода во всех изученных образцах лунных пород составляют от 30 до 230 частей на миллион, причем концентрации углерода в грунте выше, чем в кристаллических горных породах. Концентрация азота несколько ниже таковых для углерода.

Химический анализ подтвердил наличие углеводородов, соединений углерода, водорода, кислорода и азота, но в общем в столь малых концентрациях, что трудно быть уверенным в том, что они являются субстанциями эндогенного характера, а не следствием земных загрязнений. Газохроматограф и масс-спектрометр настолько чувствительны, что с их помощью могут быть обнаружены некоторые загрязняющие примеси в диапазоне концентрации до 10-9. Все исследователи находили различные углеводородные соединения, содержащие до шести или более атомов углерода, и более распространенные и простые соединения углерода с кислородом, водородом и азотом. Наиболее интересные с точки зрения существования биологических форм материи соединения были идентифицированы немногими исследователями. Надь и др. в дополнение к мочевине и аммиаку обнаружили глицин, аланин и этаноламин. Фокс и др. нашли глицин и аланин в негидролизованных водных вытяжках и, кроме того, обнаружили наличие глютаминовой кислоты, аспартовой кислоты, серина и треонина в вытяжках после гидролиза. Концентрации указанных веществ были порядка 50 частей на 109. Ходжсон и др. идентифицировали порфирин, однако его наличие они связали с загрязнением лунных пород сопловыми газами ракетного двигателя. Имея в виду весьма малые количества обнаруживаемых веществ, следует доказать содержание этих соединений и в других образцах лунного грунта и с особой тщательностью отбирать пробы на анализ, не допуская их загрязнения. Вполне вероятно, что многие соединения образовались при добавлении к исследуемым образцам лунных пород химических растворов, ибо в лунных породах содержатся активированные атомы углерода и других элементов, попавших на поверхность Луны с солнечным ветром. Абэлл и др., в частности, доказали образование дейтериевого метана C D4 при использовании вместо обычной воды Н20 дейтериевой воды D20. Вода в образцах лун

ного грунта содержится в столь малых концентрациях, что чрезвычайно трудно различить эндогенную воду и земные загрязнения.

 

 

 ВОЗРАСТ ЛУНЫ

При исследовании возраста лунных пород используют два способа определения. Предполагая, что лунные породы произошли из веществ метеоритного типа, определяют время, когда породы лунной поверхности оказались отделенными от вещества метеоритного происхождения. Это время известно под названием «модельный возраст». При расчетах Rb87 — Sr87 возраста или возраста «уран — свинец» и «торий— свинец» предполагается, что отношения концентраций рубидия к стронцию или урана и тория к свинцу не изменялись с момента разделения. При втором методе определения возраста пород определяется время, когда исследуемый образец последний раз находился в расплавленном состоянии или когда изотопы элементов в последний раз равномерно распределились между минералами изучаемого образца породы. Это «изохронный возраст». Rb87 — Sr87 модельный возраст для большинства исследованных образцов лунного грунта около 4,6 эона (4,6 • 109 лет); это — время, необходимое для образования Sr87 в большинстве образцов из первичного стронция за 4,6 эона, по данным исследования базальтовых ахондритовых метеоритов. Изохронные возрасты пород меняются от 3,3 до 4,1 эона. Это означает, что общий состав пород по отношению к рубидию и стронцию сложился в данном виде 4,6 эона назад и не изменился в процессе повторных нагревов, имевших место в более поздние изохронные моменты. Потоки пепла в указанные поздние периоды не привели к разделу жидкого расплава и твердых остатков, что, вероятно, было обусловлено слабым гравитационным полем Луны, в котором карманы частично расплавленных масс не разделились на слои, состоящие из жидкой и твердой фаз, или же было вызвано полным расплавлением базальтовых карманов, так что фракционирования не произошло. К40—Аr40 возраст в целом согласуется с Rb87 — Sr87 изохронным возрастом, поскольку аргон диссипи-ровал в самой последней фазе нагрева. Уран-свинцовые и торий-свинцовые возрасты пород дают более сложную картину и не согласуются с Rb87 — Sr87 возрастами, по-видимому, из-за потерь свинца в окружающее пространство, вероятно, вследствие улетучивания. Интересно отметить, что изохронный возраст большого числа исследованных образцов грунта и многих кристаллических образцов имеет значения в диапазоне 4,3—4,6 зона.

Поскольку образцы грунта и камни имеют различный состав, вулканические потоки, извергнувшиеся из изолированных карманов, не должны были смешиваться друг с другом в период от 4,6 эона назад до образования потоков, т. е. 3,3—4,0 эона назад. Возникали ли излияния до 4,0 эона или после 3,3 эона, неизвестно. Противоположная гипотеза состоит в том, что базальтовые компоненты образовались в результате обычных потоков земного типа, в которых базальтовый расплав отделился от твердой фракции, оставшейся в глубине, и что уран — свинец, торий — свинец, рубидий и стронций в различных количествах добавились позднее из некоего первородного вещества, образовавшегося 4,6 эона назад. В таком случае нужно допустить, что эти первоначальные базальтовые породы с низким содержанием указанных элементов образовались в результате процессов плавления, в ходе которых в случае земных пород, как правило, образуются базальты, содержащие упомянутые элементы. Однако это совершенно невероятно, и более достоверно, видимо, то объяснение, что причиной расхождений явилось плавление ограниченных систем при нат личии слабого гравитационного поля.

Представляют интерес два показателя возраста: определяемый по отношению К40 — Аг40 (метод разработан Тернером ) и определяемый по отношению Rb87 — Sr87 (метод разработан Шефером и др.). Образец «для творения» 15415 и анортозитовые породы, доставленные экипажем космического корабля «Аполлон-16», имеют возраст порядка 4,1 эона. Была высказана мысль, что возраст некоторых анортозитовых пород должен составлять 4,6 эона на том основании, что наиболее ранний период плавления был именно в то время и что анортозитовые породы тогда и появились. Что сместило часы цикла К40 — Аг40? Горячее солнце, столкновения в поясе астероидов, или то и другое одновременно, или что-то еще неизвестное?

 

 

ИСТОРИЯ ЛУНЫ

В настоящее время известно, что материковые области Луны состоят из пород анорто-зитового типа и что эти породы и титаножелезистый базальт приобрели свой состав в результате процессов плавления 4,6 ±0,1 эона тому назад. Позднее произошло плавление, приведшее к образованию пород Моря Спокойствия и Океана Бурь. В результате каких-то процессов в этот период сформировались масконы и благодаря твердости пород сохранились по настоящее время. Максимальные подповерхностные температуры, обеспечивающие сохранность масконов, не известны, но подповерхностные температуры Земли, по-видимому, слишком высоки. Точное сравнение затрудняется большим гравитационным полем Земли и более высоким давлением в ее внешних слоях. Если бы не существовало доказательств плавления, можно было бы принять, что Луна на протяжении всей истории была холодной. Если бы можно было игнорировать масконы, это привело бы к признанию гипотезы высокотемпературного режима, конечно, игнорируя или найдя другое объяснение моментам инерции. В случае учета всех обстоятельств становится неизбежным признание необходимости сложной истории Луны. Во всяком случае, магнитные камни загадочны.

Если Луна первоначально была полностью расплавлена, то она должна была затвердеть и подвергнуться дифференциации 4,5—4,7 эона тому назад. Анортозитовый слой затвердел и всплыл на поверхность, пироксеноливиновый слой погрузился в недра, а слой титаножелезистого базальта оказался между ними или перемешался с другими слоями, чтобы выделиться затем при последующем плавлении отдельных объемов. Внешние части должны были охладиться в такой степени, чтобы обеспечить сохранение отрицательных гравитационных аномалий в кратерах Птолемей и

Аль-Батани и, вероятно, в таких кратерах по всей поверхности. Это произошло, когда концентрации радиоактивных элементов находились на максимальном уровне. Было проведено немало исследований по тепловому режиму Луны на протяжении ее геологической истории. Такие исследования показывают, как трудно охладить расплавленное тело Луны в течение эона, даже при отсутствии радиоактивных элементов. Возможно, как подчеркивает Тоузер, конвекция играла наибольшую роль. В случае Земли охлаждения не произошло на протяжении 4,6 эона и положительные гравитационные аномалии поддерживаются только гигантскими конвективными ячейками. На всем протяжении появления потоков лавы недра Луны должны были сохранять высокую температуру, и только во внешней оболочке было возможно существование твердых скальных пород, как это имеет место в случае Земли. Представляется невероятным, если не вообще невозможным, объяснить наблюдения подобным образом. Даже не обращаясь к масконам, такая гипотетическая история Луны должна была дать более многочисленные лавовые потоки, чем это фактически наблюдается, и в особенности такая гипотеза высокотемпературного режима должна предполагать гораздо более обширное расплавление лунной поверхности. Отсутствие областей морского типа свидетельствует о том, что процессы плавления имели лишь небольшое распространение.

Если величины моментов инерции, установленные с помощью искусственных спутников Луны и астрономических наблюдений, правильны, то протяженный слой анортозитовых пород с низкой плотностью вещества, небольшое железное ядро и плотные кремниевые породы в недрах Луны немыслимы без существования вблизи поверхности некоторого слоя вещества высокой плотности. И кажется невероятным, чтобы такой слой породы с высокой плотностью вещества образовался и сохранился в случае, если бы Луна была целиком расплавленным телом на ранней стадии своего существования. Но, возможно, данные о моментах инерции неверны!

Высказано предположение, что первоначальное плавление 4,5—4,7 эона тому назад ограничилось внешним слоем в изначально холодной Луне и что масконы поддерживались за счет холодных недр, а отрицательные гравитационные аномалии кратеров Птолемей и Аль-Батани и других кратеров — внешним слоем, который довольно быстро остывал. В этой модели предполагается, что источниками нагрева послужили следующие факторы.

1)    Поверхностный нагрев в большой газовой сфере или в процессе аккумуляции в такой сфере.

2)    Поверхностный нагрев за счет приливных эффектов при захвате Луны.

3)    Перемещение магнитных полей по лунной поверхности и возбуждение электрических токов в силикатах, уже нагретых некоторыми ранее действующими механизмами.

4)    Нагрев в процессе аккумулирования, при котором быстрая аккумуляция твердых тел произошла в последних стадиях. При охлаждении происходило разделение на несколько слоев, причем титаножелезистый базальт затвердевал в последнюю очередь где-то под поверхностью. По-видимому, вариант 4) привел бы к созданию очень динамичных условий, мало подходящих для разделения пород на различные слои, выявленные при химическом исследовании. Базальт расплавился позже и был вытеснен вверх из более глубоких слоев. Радиоактивный нагрев, возможно, имел место в результате очень низкой теплопроводности слоя пыли на поверхности и ее высоких теплоизолирующих характеристик. «Мелкие» моря, состоящие из потоков пепла на весьма нерегулярной поверхности, должны иметь несколько глубоко лежащих слоев, а также поверхностные слои. Глубокие слои должны были заметно нагреваться в течение периодов от сотни миллионов до миллиарда лет, даже если они первоначально имели низкие температуры (около 0° С), что, впрочем, совсем не обязательно. Эти представления разделяет и автор настоящей работы.

Прежде считали, что первые кратеры, моря и масконы образовались в результате столкновений на ранних стадиях геологической истории Луны, но, если мы предположим, что катастрофическое столкновение произошло в астероидном поясе около 4 эонов тому назад, приведя к образованию множества крупных и мелких осколков, которые падали на Землю, Луну и другие планеты в течение пе-скольких сотен миллионов лет, можно построить другую историю лунной поверхности. На Земле не сохранилось следов таких столкновений, если они происходили до момепта формирования самых древних скальных пород Земли. Мы должны принять, что масконы возникли в результате некоторого «рикошета» лунных пород и что гравитационные аномалии сохранялись, несмотря на обширные и энергичные смещения скальных пород, поскольку столкновения такого рода должны были происходить с большими скоростями.

Следовательно, чтобы объяснить гравитационные аномалии, массы сталкивающихся с такой высокой скоростью объектов должны быть чрезмерно малыми. При этом допущении можно без затруднений иметь поверхность Луны достаточно холодной, чтобы обеспечить наличие гравитационных аномалий типа Птолемея и Аль-Батани, но проблема существования масконов остается нерешенной, если мы принимаем, что титаножелезистые базальтовые породы вылились на поверхность из подповерхностного расплава, что представляется приемлемой гипотезой при таком понимании ранней истории Луны.

Частичное переплавление лунных недр 3,1—3,0 эона тому назад, как это принимают некоторые исследователи, привело бы почти несомненно к отделению рубидия и стронция друг от друга, и, следовательно, модельный возраст титаножелезистых базальтов почти наверняка не мог бы быть около 4,6 эона. Это весомый аргумент против образования указанных пород в результате частичного расплавления лунных недр.

Таким образом, можно заключить, что Луна образовалась при сравнительно низких температурах, была нагрета внешними источниками тепла, в достаточной степени и на достаточную глубину охладилась, чтобы позволить большим кратерам (150 км в диаметре) сохранить отрицательные гравитационные аномалии, и оказалась благодаря твердым недрам способной поддержать концентрации масс. Дифференциация анортозита, титаножелезистого базальта и других фракций произошла в процессе охлаждения. Грунт образовался преимущественно из потока пепла и в ограниченных количествах переплавлялся за счет радиоактивного нагрева вследствие низкой теплопроводности поверхностных слоев грунта. Эта предполагаемая история сложна и, вероятнее всего, будет пересмотрена по мере накопления данных.

Как говорилось выше, сейсмологи получили данные, подтверждающие существование анортозитового слоя, простирающегося на глубину порядка 60 км под поверхностью, и внутренней зоны ниже этого слоя, состоящей из пород типа дунита, богатых пироксеном и оливином. По сравнению с землетрясениями лунотрясения весьма умеренны, и некоторые из них возникают повторно в точках, расположенных на глубине порядка 700—800 км. При этом происходят отражения в структурах, располагающихся примерно на той же глубине. Они не могут быть обуслов-лены существованием металлического ядра, но могут создаваться границами раздела структур какого-то другого типа. Это свидетельствует в пользу гипотезы об очень глубоком или полном плавлении на заре лунной истории. Однако свидетельство не является окончательным. Наблюдения проводились на ограниченных участках лунной поверхности и в областях, относительно близко расположенных к зонам больших масконов и ударных морей.

 

 

МАГНИТНЫЕ КАМНИ ЛУНЫ

Дипольного поля на Луне не обнаружено, однако в местах посадки кораблей «Аполлон», имеющих возраст от 4 до 3,1 эона, располагаются намагниченные камни. Следовательно, до этого или более позднего времени на Луне должны были присутствовать магнитные поля, а камни в этих магнитных полях должны были охлаждаться до температур ниже точки Кюри. Имеются также довольно большие намагниченные области. Происхождение магнитных полей, ответственных за образование намагниченных камней, остается загадкой для всех исследователей этого явления. Этот вопрос имеет важное значение для проблемы происхождения Луны.

После того как были отброшены магнитное поле Земли и возможное поле Солнца, мы обратились к возможному лунному дипольно-му полю, которое должно было исчезнуть не раньше, чем 3,1 эона назад. Одно предложение, внесенное, в частности, Ранкорном, предусматривало существование железного ядра, меньшего, чем у Земли, которое поэтому должно было вращаться очень быстро, чтобы создать требуемое поле. Это представляется невероятным, так как сейсмические наблюдения не обнаружили ядра, хотя они могут быть и не вполне убедительными. Если такое вращающееся железное ядро присутствовало на раннем периоде, более чем 3,1 эона тому назад, то это указывает, что оно остыло и, следовательно, в настоящее время поле могло бы отсутствовать. В другом случае предполагается, что внутренние части Луны аккумулировались при низких температурах и способные к намагничиванию частицы, а именно железо, аккумулировались в первичном магнитном поле Солнца, которое привело к образованию постоянного магнитного дипольного поля, сохранявшегося, пока радиоактивный разогрев не привел к повышению температуры выше точки Кюри. Однако в этом случае поверхностные области должны быть расплавлены, чтобы создать высокодифференцированные районы с вытеканием лавы на поверхность.

Популярная точка зрения состоит в следующем. Луна аккумулировалась сначала из твердых тел при низких температурах вследствие малых гравитационной энергии и скорости аккумуляции, а позднее при высоких гравитационной энергии и скорости аккумуляции. Так возникли твердая внутренняя часть и расплавленная поверхность. Оценено, что аккумуляция должна была происходить в течение около 2000 лет и меньше, чтобы образовалась расплавленная поверхность, несмотря на радиационные потери. Следовательно, такая бомбардировка должна была окончиться довольно резко. Трудно определить место в солнечной туманности, где бы это могло случиться. Альтернативой являются газовые сферы Юри (1972 г,). В этом случае твердые тела осаждаются во внутренней части сферы, когда она холодная, но, когда происходит сжатие сферы, температура внутри возрастает и, таким образом, внутренняя часть образуется холодной, а поверхность аккумулируется при более высоких температурах. Луна охладилась после того, как горячее Солнце отдалило газовую сферу, и, каков бы ни был способ аккумуляции Луны, магнитное поле, вынесенное холодными внутренними областями, намагнитило охлажденные поверхностные камни и исчезло, когда вследствие радиоактивного нагрева температура холодных внутренних частей превысила точку Кюри. Как указано выше, это наиболее интересная проблема, поразившая многих людей, изучавших Луну.

 

 

ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЛУНЫ

Для обсуждения теорий происхождения Луны необходимо рассмотреть теорию происхождения планет и их спутников, по существу — происхождение солнечной системы. Юпитер и система его внутренних спутников сходны по орбитальным характеристикам с Солнцем и планетами, ось вращения Юпитера приблизительно перпендикулярна плоскости эклиптики. Если бы другие планеты и их спутники воспроизводили такую же структуру, то больших разногласий во взглядах на происхождение не существовало бы. Можно было бы предположить, что планеты и их спутники аккумулировались из скоплений малых объектов газопылевого характера. Однако Земля, Венера, Марс и большие планеты, кроме Юпитера, имеют оси вращения, которые не перпендикулярны плоскости эклиптики, что требует столкновений очень массивных тел при образовании планет. Уже одно это указывает на наличие массивных тел на заре истории солнечной системы.

Если все планеты земной группы имели бы большие спутники, подобно Земле, можно было бы предположить, что эти планеты и их спутники образовались как двойные планеты, т. е. аккумулировались из твердых и жидких силикатов в непосредственной близости друг от друга. В этом случае вопрос о происхождении спутников не подлежал бы спорам и обсуждению, как это имело место в течение многих десятилетий. Именно уникальность Луны, как единственного очень большого спутника, ставит перед учеными интересную и противоречивую проблему ее происхождения. Ведь если образование двойных планет является правилом, отсутствие большой Луны у Венеры и таких же спутников у Меркурия и Марса становится новой загадкой. Советские ученые, в частности О. Ю. Шмидт, В. С. Сафронов и Б. Ю. Левин, поддерживают теорию, предполагающую аккумуляцию множества малых спутников, окружавших Землю во время ее образования за время около 100 млн. лет.

Камерон и Рингвуд защищают точку зрения, согласно которой Земля и Луна аккумулировались за короткий отрезок времени от 103 до 104 лет при очень высоких температурах и в виде двойного тела. Луна аккумулировалась из летучего высокотемпературного вещества, образовавшего кольцо вокруг Земли. Масса Земли плюс соответствующая ей доля солнечных газов должны были составлять массу, примерно равную массе Юпитера, первоначально распределенную в диске, окружавшем Солнце. Необходимо, чтобы в какой-то момент 0,3% твердого вещества, предназначенного для образования твердых тел, отделилось от массы газа, составляющего 99,7%, и скопилось в ограниченном объеме. Можно предположить, что это могло случиться только при условии, что вещество имело достаточно низкую температуру, чтобы сконденсироваться в жидкость или твердое тело. Возможно, если твердые частицы оседали к средней плоскости облака, это могло бы произойти. Описанная модель перекликается и в какой-то мере идентична теории протопланет Койпера, слабым местом которой было объяснение потери массы газа, равной массе Юпитера. Юри указывал, что это невозможно, и до настоящего времени не предложено удовлетворительного объяснения потери газов. Возможно (но это не доказано), что магнитные поля вращающегося магпитного диполя Солпца могли бы обеспечить выброс газа.

Рингвуд, основываясь на том, что потеря летучих столь характерна для вещества лунной поверхности, указывает, что Луна должна была выделяться из высокотемпературных газов. Это — очень сильный аргумент, особенно в случае, если количество этих элементов уменьшено во всем теле Луны, что пока является ничем не подтвержденным предположением. Обилие наиболее распространенных в лунных породах элементов имеет столь близкое сходство с теоретически ожидаемым при фракционировании расплавленных силикатов, что как будто бы можно отказаться от гипотезы о большой роли улетучивания. Более того, необходим механизм, обеспечивающий наклон земной оси и определенного изменения лунной орбиты, поскольку Голдрайх указывает, что современная орбита Луны не могла первоначально находиться в плоскости земной орбиты. Оба указанных явления требуют присутствия других достаточно больших тел, которые, сталкиваясь с Землей и Луной, вызвали упомянутые изменения. Если бы это было на самом деле, то подобные объекты, сталкивающиеся с другими планетами, привели бы к аналогичным эффектам. Тот факт, что Венера не имеет спутника и вращается в обратном направлении, является, вероятно, самым убедительным свидетельством против приведенной теории происхождения Земли и Луны. Маркус и В. С. Сафронов подчеркнули, что подобные столкновения были необходимы, а Юри дал объяснение образованию таких объектов. Недавно было высказано предположение, что большие до-планетные тела существовали и сталкивались в процессе образования Земли в условиях высокой температуры, и в соответствии с моделью Рингвуда Луна «улетучилась» с Земли. Элементы, улетучивающиеся при температуре 1500° К и ниже, с лунной поверхности исчезли, однако нет оснований считать, что происходит значительная дифференциация между кремнием, с одной стороны, и алюминием, магнием, кальцием — с другой, даже если имеют место большие различия в летучести. Автор этой работы сомневается в правильности гипотезы Рингвуда о газовой, кремниевой, алюминиевой и т. д. атмосфере, породившей Луну. Возможно, если бы удалось достать породы из более глубоких слоев и они показали бы низкое содержание летучих, это могло бы послужить указанием, что вещество Луны в сильно фрагментированном виде было нагрето до температуры 1000— 1500° С и что летучие были унесены остаточными газами. Те, кто склонен думать, что титаножелезистые базальты являются, в сущности, потоками лавы из недр, воспринимают это утверждение как уже доказанное. Автору этой работы хотелось бы исследовать образцы пород, принадлежащих так называемым местным лавовым потокам, которые могли быть вынесены из глубинных слоев, прежде чем согласиться с этой точкой зрения.

Сэром Джорджем Дарвином была высказана гипотеза о том, что Луна отделилась от Земли, и эта идея в течение нашего столетия многократно обсуждалась как ее сторонниками, так и ее противниками. Уайз и О’Кифи недавно дали обзор этой дискуссии. Плотность пород Луны близка к плотности пород мантии Земли, и этот загадочный вопрос легко решается данной гипотезой. Много усилий затрачено на то, чтобы доказать возможность подобного разделения. В последпие годы эта гипотеза отчасти, а возможно и полностью, поколеблена исследованиями химического состава пород лунной поверхности. Лунные базальты имеют определенно более высокие концентрации железа и титана и определенно более низкие концентрации летучих элементов по сравнению с земными. Конечно, нельзя полностью исключить, что в сложном процессе высокотемпературного разделения могли возникнуть такие различия, но это представляется невероятным. Возраст лунных пород отодвигает время разделения на 4,5 эона. Важно одно обстоятельство, очевидное из старых данных. Если Земля и Венера образовались в результате сходных процессов на сравнимых расстояниях от Солнца, то почему система «Земля—Луна» имеет очень большой положительный момент количества движения относительно орбитального момента, а Венера — малое и отрицательное значение для той же величины? Почему Венера не стала планетой с большим осевым моментом вращения и не превратилась в двойную планету? Эти вопросы можно было ставить много лет тому назад. В настоящее время гипотеза об отделении Луны от Земли представляется маловероятной.

Гипотеза захвата особенно популярна с того времени, как Герстенкорн исследовал эту проблему. Она обсуждалась Мак-Дональдом, Альвеном и др.

Указанная гипотеза имеет очевидное преимущество в том, что подчеркивает случайный характер происхождения Луны, и в этом случае отпадает нужда объяснять отсутствие спутников у других планет земной группы. Однако необходимо допустить, что когда-то в начале развития солнечной системы существовало много лун, если мы хотим избежать множества невероятных предположений. Вероятность захвата Луны на какую-либо орбиту вокруг Земли меньше, чем вероятность захвата при столкновении ее с Землей. Детально эти вопросы обсуждались в работе Юри и Мак-Дональда. Герстенкорн пришел к выводу о том, что захват произошел на орбиту с обратным движением, которая затем повернулась, пройдя над поясами Земли, и движение стало прямым. Предполагалось, что минимальная орбита находилась вблизи предела Роша на расстоянии в 2,9 земного радиуса для тела с плотностью Луны. В процессе захвата большое количество энергии должно было рассеяться в виде тепла, а именно порядка 1011 эрг на грамм лунного вещества. Часть этой энергии должна была рассеяться в Луне, вероятно, в поверхностных слоях и могла бы послужить причиной образования ее расплавленного поверхностного слоя, как говорилось выше. Такой процесс плавления оказался бы более интенсивным в полусфере Луны, обращенной к Земле, и мог привести к появлению на поверхности этой полусферы более обширных участков морей. Если бы такой нагрев охватил все тело Луны, существование масконов стало бы весьма сомнительным. Юри и МакДональд склонны считать, что столкновения с другими телами, движущимися вокруг Земли, способствовали захвату и что начальные орбиты могли быть намного больше, исключая таким образом трудности, связанные с нагревом. Кроме того, при таком предположении плотность углового момента первоначального аккумулирования Земли ложится на эмпирическую кривую Мак-Дональда, который показал, что логарифм плотности углового момента планет, графически представленный как функции логарифма массы, имеет вид прямой линии с наклоном около 0,82.

Указанная гипотетическая модель происхождения Луны постулирует, что Луна аккумулировалась где-то в другом месте. Если принять гипотезу захвата, проблемы способа аккумуляции и общего химического состава остаются открытыми. До настоящего времени была предложена только модель газовой сферы, но возможны и другие модели, хотя их правдоподобный расчет затруднителен. В этом случае полагают, что в плоском диске туманности возникли двумерные гравитационные неустойчивости согласно формуле, предложенной Джинсом и уточненной Чандрасекаром. В применении к этой задаче формулы следует считать приближенными вследствие того, что присутствие твердых частиц приводит к росту неустойчивости.

Температуры, необходимые для образования в туманности тел размера Луны, очень низкие, а масса облака должна составлять значительную долю массы Солнца. Как предполагает Альвен в своей гипотезе с привлечением магнитного поля, масса такого порядка должна была быть потеряна протосолнцем, чтобы уменьшить его угловой момент, а Хербиг считает, что у звезд типа Т Тельца должны быть пылевые облака с массой, приблизительно равной солнечной.

Аккумуляция лунных масс в центре таких газовых образований в результате воздействия гравитации с энергией аккумуляции, поглощаемой большой массой газа, могла происходить при низких температурах, если радиусы были большими. Если в последующем шло сжатие газовой массы, поверхностные слои центрального лунного объекта могли нагреться до высоких температур, восстановленное жидкое железо вынесло бы сидеро-фильные, а жидкий сульфид железа — халь-кофильные элементы. С медленным распадом газовых сфер шло бы медленное охлаждение центральной массы, а при полном исчезновении газов — более быстрое охлаждение до низких температур. Трудной проблемой остается химический состав. В случае малого относительного содержания железа в Солнце, как это считалось в течение многих лет, Луна состоит из первичного нелетучего солнечного вещества, однако с пересмотром относительных концентраций элементов в солнечном веществе плотность первичного нелетучего солнечного вещества становится близкой к 4 г/см3 и не соответствует плотности Луны. Если к гипотезе захвата относиться серьезпо, эту проблему надо решить. Углистые хондриты — весьма распространенный тип метеоритов, если судить по наблюдениям падений, а среди них тип III (группа Vigarano) имеет соответствующую плотность и низкое содержание калия, так что можно создать твердую Луну, если центральное тело имело такой или близкий к такому химический состав. Эти метеориты содержат воду и большое количество углерода. Низкое содержание воды и углерода в поверхностных образцах резко противоречит этому предположению, но не исключает его. Маркус В. С. Сафронов и Хартман рассматривали другие пути аккумуляции больших тел из твердых тел меньшей величины в отсутствие газа, который безусловно необходим, если более летучие элементы удалены из недр Луны. В этом случае последовательность событий должна была привести к утрате летучих при температуре порядка 1500° К и они должны были исчезнуть из области, в которой аккумулировались Луна и Земля до того, как началась аккумуляция. Если летучие содержатся в недрах Луны, это указывает на формирование Луны в газовой сфере, и Земля должна была образоваться из обломков таких объектов. Недавно Камерон предположил, что Луна конденсировалась из газовой солнечной туманности внутри орбиты Меркурия, где конденсировались наименее летучие составляющие, а именно СаО и А1203. Они образовали Луну, которая была отброшена Меркурием на орбиту, пересекающую орбиты Венеры и Земли, и затем захвачена Землей. Таким образом, Луна образовалась в области солнечной туманности, где железо оставалось в значительной мере в газообразном виде. Так он объясняет низкую плотность Луны и, возможно, химический состав. Оба эти механических события кажутся невероятными хотя и не могут быть полностью отвергнуты. Если Луна была захвачена, она должна была образоваться независимо от Земли как отдельная первозданная планета и в этом случае была бы, вероятно, старше, чем Земля. Известные в настоящее время возрастные показатели свидетельствуют о том, что Луна как самостоятельное тело существовала примерно в эпоху образования метеоритов. Возможность установления тем же способом возраста Земли утрачена.

Как указывалось выше, Юпитер и его спутники напоминают «маленькую» солнечную систему, и складывается впечатление об образовании этих спутников в непосредственном соседстве с планетой. Тот факт, что в солнечной системе имеется семь спутников, равных по своей величине спутнику Земли Луне, и что средняя масса других спутников и астероидов приблизительно составляет четверть массы земной Луны, указывает на то, что объекты лунных размеров в солнечной системе пользуются предпочтением.Наклоны осей вращения планет дают основание думать, что рядом находились большие объекты, которые столкнулись с формирующимися планетами на последних стадиях их аккумуляции. Возможно, что наша Луна не такое уж уникальное тело, как часто принято думать!

 

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

Категория: Рефераты / Астрономия

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.