Игорь Галкин - Строение Луны

Астеносфера и проблема ядра Луны. Внутренняя зона Луны обнаружена по резкому ослаблению энергии поперечных волн на глубинах более 800–900 км. Это соответствует уменьшению сейсмической добротности поперечных волн до величины 100–200 и продольных волн — до 500. Эффектом отсутствия поперечных волн внутренняя зона Луны напоминает внешнее ядро Земли, которое на основании этого кардинального факта считается эффективно жидким (известно, что поперечные волны не распространяются в воде). Однако она названа «астеносферой», потому что в ней давление (более 35 тыс. атм) и вязкость (1020–1021 пуаз) такие же, как в астеносфере Земли на глубинах 100–150 км. По-видимому, астеносфера Луны частично расплавлена, капли базальта в перидотите[7] плавятся при соответствующем давлении при температуре 1450–1550 °C. В астеносфере Земли также имеет место частичное плавление зерен базальта, однако поперечные волны через нее проходят, хотя скорость их падает, и энергия ослабевает. Эта разная реакция на распространение поперечных волн объясняется существенно разной мощностью астеносферы в Земле и Луне и их различной ролью в тектонической жизни этих небесных тел. Астеносфера Земли имеет толщину 100–200 км, что составляет 1/30 — 1/60 часть ее радиуса; астеносфера Луны в 10 раз мощнее, она занимает половину лунного радиуса. А если учесть, что глубже лунной астеносферы нет твердого сейсмически добротного материала, как на Земле, то оказывается, что поперечные волны в Луне долго движутся в неблагоприятных условиях, поэтому они не могут «пробиться» сквозь центральную зону на, противоположную сторону Луны.

В астеносфере Луны, как и Земли, возможны конвективные потоки частично расплавленного вещества, однако их скорость (0,1 см/год) и действие существенно иные. Они не в состоянии расколоть или передвинуть глыбы литосферного монолита, их силы хватает лишь на то, чтобы произвести в нижние горизонты литосферы инъекции разогретого вещества, на которые планета откликается слабыми сейсмическими «щелчками».

Современные представления о структуре центральной зоны Луны сугубо ориентировочные. Уменьшение скоростей продольных волн до значений 3,6–5,2 км/с не противоречит предположению о существовании в центре Луны железо-сульфидного ядра радиусом 200–400 км. Ограничение на размеры ядра дает величина относительного момента инерции Луны, которая измерена с высокой точностью (0,395 ± 0,05). Расчеты показывают, что для модели с корой, имеющей плотность 3 г/см3, и однородной мантией (плотность 3,43 г/см3) момент инерции должен быть 0,399. В случае железо-сульфидного ядра с радиусом 700 км момент инерции уменьшится до 0,391. Если же ядро чисто железное, то оно не скажется на величине момента инерции при радиусе не более 450 км. Низкие скорости продольных волн в центре Луны нельзя объяснить металлизацией силикатов мантии, для этого здесь слишком малые давления (не более 50 тыс. атм) и температуры (до 2000 К). В центре Земли температура почти такая, как на поверхности Солнца (6000 К), а давление в несколько миллионов раз больше атмосферного (3,5 · 106 атм).

Интересно посмотреть на недра Земли и Луны, сравнив их в едином масштабе глубин, т. е. отношение глубин слоев к радиусу планеты (рис. 12). Тогда наблюдается совпадение относительных глубин основных планетарных оболочек. На глубине 0,05 относительных радиусов происходит самое резкое увеличение скоростей сейсмических волн. На Луне это соответствует переходу от коры к мантии, на Земле — началу перехода от верхней к нижней мантии. На половине радиуса начинается область, где исчезают поперечные волны. При этом на Луне состав вещества, по-видимому, остается мантийным, т. е. преобладают ультраосновные силикаты. На Земле же это связано скорее всего с изменением химического состава. Наконец, в обоих небесных телах обнаружена внутренняя сфера с относительным радиусом 0,2, в основном состоящая из железа.

Рис. 12. Основные оболочки Земли и Луны

Эволюция и тепловое состояние Луны. Данные о составе, состоянии и физических свойствах лунных пород, собранные по крупицам в сложных и рискованных экспедициях, несмотря на известную ограниченность этих данных, позволяют сделать важные, пусть предварительные, заключения об основных этапах и направленности эволюции Луны.

Большинство исследователей сходятся в том, что Луна образовалась достаточно быстро, и начальная температура ее была высокой. По мнению ученых из Института физики Земли АН СССР, тело Луны скомпоновалось в околоземном «спутниковом рое» 4,5 млрд. лет назад, вскоре после того, как сама Земля возникла из холодных газовых и пылевых частиц протопланетного облака. Этим объясняется наблюдаемый дефицит железа и легкоплавких элементов в Луне по сравнению с Землей.

Определения мощности лунной коры и литосферы, эффект «пропадания поперечных волн» в ее центральной зоне, величина теплового потока и отсутствие планетарного магнитного диполя позволяют судить о нынешнем состоянии недр Луны. Возраст самых древних (4,15 млрд. лет) и самых молодых (3 млрд. лет) пород, время выплавления морских базальтов (3,75 -3,15 млрд. лет) и высокая остаточная намагниченность пород свидетельствуют о далеком планетарном прошлом Луны.

Реконструкция тепловой истории Луны проводится многими исследователями путем решения на электронно-вычислительных машинах уравнений теплопроводности. При этом задаются перечисленные граничные условия и оцениваются начальная температура Луны, концентрация радиогенных элементов, плотность, теплоемкость, теплопроводность, а также изменчивость этих физических констант во времени.

По-видимому, основная направленность планетарного «жизненного» процесса на Луне (равно как на Земле и других планетах земной группы) состоит в расслоении изначально однородного тела планеты на оболочки: легкую кору, мантию, тяжелое ядро.

Закат Солнца на Луне 4,5 млрд. лет назад не был таким величественно-спокойным, как теперь. Светило погружалось в плещущий «океан» расплавленных горных пород. Град метеоритов сыпался в него, приводя к перемешиванию, дегазации, закалке и переплавлению материнского вещества Луны. В расплавленной оболочке в планетарном масштабе совершалось фракционное разделение фаз — формировались кора и мантия Луны. При этом радиоактивные элементы концентрировались в коре, обусловливая высокий тепловой поток, породы коры обогащались кальцием и алюминием (образовывались анортозиты), в мантии преобладали окислы железа и магния (пироксены и оливин).

Период магматической активности Луны длился не более 1,5 млрд. лет. Постепенно внешняя оболочка Луны, остывая снаружи, затвердевала, мощность литосферы наращивалась примерно на 200 км каждый миллиард лет.

По-видимому, в конце первого миллиарда лет возникло центральное расплавленное ядро. Возможно, в нем действовал саморегулирующийся механизм «электромагнитного динамо»; свидетельство его былой силы-высокая палеонамагниченность лунных пород, его жидкие «останки» видимо подсекли сейсмические волны вблизи центра Луны.

По мере остывания внешней корки и продолжения метеоритной бомбардировки 4,4–4,1 млрд. лет назад образовался типичный лунный кратерный рельеф. Трещины от ударов метеоритов протягивались в кору на десятки километров, а реголит имел гигантскую мощность — несколько километров.

Со временем частота падений космических тел на Луну сокращалась, но напоследок, 4,1–3,9 млрд. лет назад, произошли катаклизмы, оставившие неизгладимый след на поверхности в виде гигантских котловин — Больших Бассейнов. Самые древние из них (как Море Спокойствия) имеют неправильную форму, неглубокое днище и не содержат избытка или дефицита масс. А относительно молодые (Моря Дождей, Кризисов и т. д.) — круглые, глубокие, «масконовые». Похоже, что 4 млрд. лет назад что-то переменилось в механических свойствах коры, быть может, завершились подъем и кристаллизация расплавов оболочки.

Последняя глава активной эндогенной жизни Луны — затопление Больших Бассейнов видимой стороны ныне «замерзшими» морями темных базальтов. Базальты поднимались из недр, где распад радиоактивных элементов обеспечивал необходимую для их расплава температуру. Излияния носили скорее всего импульсный характер и были приурочены к местам коры, раздробленным и ослабленным падением метеоритов. Благодаря различиям состава и температуры недр в разных регионах Луны период заполнения морских бассейнов базальтами затянулся от 3,8 до 3,0 млрд. лет. Отсутствие морей на обратной стороне Луны может объясняться как большей мощностью ее коры, так и тем, что притяжение Земли направляло метеориты на всегда обращенную к ней сторону Луны.

На Луне 3 млрд. лет назад воцарилось относительное спокойствие. Столь древний образ космического мира подарила Луна исследователям последнего 18-летия (рис. 13).