Игорь Галкин - Строение Луны

Сейсмическая добротность лунных пород оценивалась несколькими способами: лабораторным (измерения на образцах, помещенных в вакуум), теоретическим (сравнение сейсмограмм с расчетами), экспериментальным (измерение закона убывания амплитуд на сейсмограммах). В последнем методе рассматривалось ослабление амплитуд сейсмической записи в зависимости от времени, расстояния и частоты. Различные определения дали согласующиеся результаты. По новым данным, выделяется слоистая структура Луны по сейсмической добротности.

В верхнем слое (реголите) величина добротности для продольных волн 100–300, в рассеивающем слое коры — 3000–5000, во всей 500-километровой толще литосферы — 5000 (по некоторым определениям — 7000 — 10 000), глубже добротность падает до значения 3500 (на глубине 600 км), 1400 (950 км) и 1100 (1200 км). В астеносфере Луны добротность по продольным волнам не превышает 500.

По амплитудам поперечных волн сейсмическая добротность верхней 300-километровой толщи оценивается величиной 4000, в слое 500–800 км она уменьшается до 1500, в астеносфере падает еще в 10–15 раз.

Селенофизические поля

Лунные масконы. Детальное изучение поля силы тяжести Луны стало возможно после выведения космических спутников на орбиту искусственных спутников Луны. Наблюдения за орбитами спутников велись с помощью трех наземных станций.

По изменению частоты спутникового передатчика определялись так называемые «лучевые ускорения» — проекции ускорения силы тяжести на направление Земля — спутник (для центральной части видимой стороны Луны эти ускорения соответствовали вертикальной составляющей).

Первые построения картины гравитационного поля Луны были проведены советскими исследователями по результатам полета космического аппарата «Луна-10», в дальнейшем данные уточнялись по наблюдениям за орбитами искусственных спутников серии «Лунар Орбитар», а также на тех участках трасс космических кораблей «Аполлон», где их орбиты вокруг Луны определялись лишь полем ее силы тяжести.

Гравитационное поле Луны оказалось сложнее и неоднороднее земного, поверхность равного потенциала силы тяжести более неровная, и источники аномалий расположены ближе к поверхности Луны. Существенной особенностью лунного поля силы тяжести явились крупные положительные аномалии, приуроченные к круглым морям, которые были названы масконами (от английского — «концентрация масс»). При подлете к маскону скорость спутника возрастает; после пролета спутник слегка притормаживается, при этом высота орбиты меняется на 60 — 100 м.

Вначале были обнаружены масконы в морях видимой стороны: Дождей, Ясности, Кризисов, Нектара, Влажности; их размеры достигали 50 — 200 км (они укладывались в контуры морей), а величины аномалий составляли 100–200 мгал[5]. Аномалия Моря Дождей соответствовала избытку массы порядка (1,5–4,5) х 10-5 массы всей Луны.

Впоследствии были открыты более массивные масконы на границе видимой и обратной сторон в Морях Восточное и Краевое, а также огромный маскон в экваториальной зоне центра обратной стороны Луны. В этом месте моря нет, поэтому маской назван «Скрытым». Его диаметр более 1000 км, масса в 5 раз превышает избыточную массу Моря Дождей. Скрытый маскон способен отклонить на 1 км спутник, летящий на высоте 100 км. Суммарная избыточная масса, соответствующая положительным аномалиям силы тяжести. превышает 10-4 массы Луны. Ряд отрицательных аномалий оказался связанным с лунными горами: Юра, Кавказ, Тавр, Алтай.

Аномалии силы тяжести отражают особенности распределения масс вещества в недрах Луны. Если, например, допустить, что масконы создаются точечными массами, то глубины их залегания должны составлять в Море Дождей около 200 км, в Море Ясности — 280 км, Кризисов — 160 км, Спокойствия — 180 км, Изобилия — 100 км, Познанном — 80 км, Океане Бурь — 60 км. Таким образом, измерения силы тяжести обнаружили неоднородное распределение плотности в верхней мантии.

Электропроводность. Ни одна из лунных экспедиций не провела непосредственных измерений электрического поля Луны. Оно было рассчитано по вариациям магнитного поля, зарегистрированного магнитометрами на станциях «Аполлона-12, -15, -16» и «Луноходе-2».

Луна, лишенная магнитосферы, при своем вращении вокруг Земли периодически оказывается в полнолуние в невозмущенной земной магнитосфере, в новолуние — в солнечном ветре и дважды по 2 дня — в переходном. ударном слое.

Флуктуации внешнего межпланетного магнитного поля проникают в Луну и индуцируют в ней поле вихревых токов. Время нарастания индуцированного поля зависит от распределения электропроводности в лунных недрах. Одновременные измерения внешнего переменного поля над Луной и вторичного поля на поверхности позволяют вычислить лунную электропроводность.

Луна устроена «удобно» для магнитно-теллурического зондирования. Межпланетное магнитное поле, вытянутое из Солнца, однородно, фронт его можно считать плоским, а потому для исследования не нужна, как на Земле, сеть лабораторий. Благодаря тому что Луна имеет более высокое электрическое сопротивление, чем Земля, для ее зондирования достаточно двух часовых наблюдений, тогда как на Земле нужны годовые.

Обтекающий Луну солнечный ветер, имеющий высокую проводимость, как бы окутывает Луну фольгой, не выпуская на поверхность индуцированные в недрах поля. Поэтому на солнечной стороне Луны можно использовать лишь горизонтальную компоненту переменного магнитного поля, тогда как на ночной стороне, где работает и вертикальная компонента, ситуация больше похожа на земную.

Магнитометрами «Аполлонов» была зарегистрирована реакция Луны в солнечном ветре на ночной и дневной сторонах, а также в геомагнитном шлейфе, где сведены к минимуму плазменные эффекты солнечного ветра.

В кратере Лемонье на солнечной стороне Луны на «Луноходе-2» было зафиксировано становление во времени флуктуации солнечного магнитного поля. При этом горизонтальная компонента магнитного поля отражает глубинную электропроводность Луны, а величина вертикальной компоненты на большом времени характеризовала напряженность внешнего поля Луны. Экспериментальный график кажущегося сопротивления интерпретировался путем сравнения с теоретическими кривыми.

Советскими (Л. Л. Ваньян и другие) и зарубежными (К. Сонет, П. Дайел и другие) исследователями построены различные модели электропроводности Луны, Отличаясь в некоторых деталях, они дают в общем сходные распределения электрических свойств лунного материала с глубиной: в верхних 200 км находится плохопроводящий слой с удельным сопротивлением более 106 ом · м; глубже залегает слой пониженного сопротивления (103 ом · м) мощностью 150–200 км, до 600 км сопротивление возрастает на порядок и далее опять убывает до 103 ом · м на глубине 800 км (рис. 9).

Рис. 9. Глубинная структура Земли (толстые линии) и Луны (тонкие) по геофизическим данным:

1 — скорости продольных волн; 2 — скорости поперечных волн; 3 — электропроводность. Вертикальная шкала — глубины по отношению к соответствующим радиусам Земли и Луны

Проведенные к настоящему времени электрические зондирования Луны выявляют следующие основные особенности:

Луна в целом имеет более высокое сопротивление, чем Земля. Сверху ее находится мощный изоляционный слой; с глубиной электропроводность растет. Обнаружено радиальное расслоение Луны и намечается неоднородность в горизонтальном направлении по электрическому сопротивлению.

По профилям электропроводности и зависимости проводимости от температуры оценена температура внутри Луны для разного состава мантии. Во всех случаях до глубины 600–700 км температура лежит ниже температуры плавления базальтов, а на больших глубинах достигает или превышает ее.

Сопоставление глубинных температур с температурами плавления пород при различных давлениях позволило ученым оценить такой важный физический параметр, как коэффициент вязкости. Он характеризует способность горных пород перемещаться под действием напряжений.

Верхняя 200 — 300-километровая оболочка Луны имеет очень большой коэффициент вязкости 1026 — 1027 пуаз[6]. Это на 2–3 порядка выше, чем на соответствующих глубинах Земли, даже если брать самые жесткие регионы древних кристаллических щитов. От поверхности к центру Луны вязкость падает; глубже 500 км она уменьшается в 100 — 1000 раз, т. е. становится соизмеримой с вязкостью мантии Земли. В астеносфере Луны вязкость резко уменьшается до значений, свойственных астеносфере Земли (1020 — 1021 пуаз).

Тепловой поток. До полетов космических кораблей считалось, что содержание радиоактивных элементов 235U, 238U, 232Th, 40K в недрах Луны в среднем такое же, как в хондритовых метеоритах или в мантии Земли. Тепловой поток, идущий из недр Луны через ее поверхность, оценивался по аналогии с соответствующим потоком Земли, где ежесекундно через каждый 1 см2 поверхности «улетучивается» в космос 1,5 — 10-6 калл тепла. Радиус Луны в 3,6 раза меньше, чем Земли, ее поверхность составляет 7,5 %, а объем — 2 % земного. При условии одинаковости концентрации радиоактивных изотопов в единице объема для Луны предсказывалось значение теплового потока 0,36 · 10-6 калл/см2с.