Игорь Галкин - Строение Луны

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

Рис. 13. Основные этапы эволюции (верх) и распределение температуры во времени (низ) по Токсоцу:

1 — дифференциация с образованием коры; 2 — образование анортозитов; 3 — магматическая активность, метеоритная бомбардировка; 4 — образование Больших Бассейнов; 5 — заполнение «морей» базальтами (косая штриховка — зона частичного плавления веществ, клетка — зона полного плавления)

В настоящее время Луна исчерпала свои «жизненные» тектонические ресурсы. Процесс разделения ее вещества давно завершен. Луна остывает — излучение тепла через поверхность превосходит его генерацию в недрах. Если тепловой поток за все время существования Луны был соизмерим с теперешним, то она потеряла энергию ~1036 эрг, которая превышает энергию разделения по плотности и теплосодержание вещества в состоянии полного плавления и соизмерима с энергией гравитационной связи Луны.

На Земле картина иная: суммарные теплопотери здесь меньше энергии гравитационной дифференциации, в результате которой образовалось железное ядро Земли.

Возможно, ключ к пониманию тепловых различий режимов планет кроется в их «способности» превращать тепло в другие виды энергии. Общая энергия, выделяемая в год землетрясениями, всего лишь на 2–3 порядка меньше теплопотерь Земли. С учетом КПД «тепловой машины» получается, что Земля «умеет» превращать тепло в механические движения при землетрясениях и других тектонических процессах.

На Луне все иначе: менее одной миллиардной части ее тепловыделений превращается в сейсмическую энергию — остальное «улетучивается» в космос бесполезно для селенотектоники. Тектоническая «жизнь» Луны «парализуется» мощной жесткой холодной литосферой. В ее разогретой астеносфере могут существовать конвективные потоки вещества, но они слабы и недостаточны, чтобы расколоть или передвинуть литосферу и лишь в состоянии вызвать слабые потрескивания на контакте с ней. К тому же давление и температура ее недр недостаточны для фазовых превращений минералов, которые на Земле служат мощным источником ее активности.

Строение наружного покрова Луны

Представления о строении покрова Луны до 1966 г. Первые сведения о структуре и физических свойствах покрова Луны были получены в результате наземных измерений ее оптического, теплового и радиоизлучений. Ведущая роль в наземных исследованиях покрова Луны принадлежала советским астрономам Н. П. Барабашову, А. В. Маркову, В. С. Троицкому, В. Г. Фесенкову, В. В. Шаронову, начавшим исследования физических свойств покрова Луны задолго до космических полетов. Эти исследования прежде всего обнаружили необычный характер отражения света поверхностью Луны, который можно было объяснить только чрезвычайной ее изрытостью. Интерпретация и моделирование полученных оптических характеристик лунной поверхности позволили сделать фундаментальный вывод о том, что наружный слой (несколько миллиметров) покрова Луны обладает столь высокой пористостью, какой не обладает ни один из земных грунтов. Подобную пористость имеют лишь искусственные губкообразные материалы с очень тонкими непрозрачными стенками, а также материалы, напоминающие мох со сложной ветвистой структурой. Этот вывод на долгие годы был положен в основу многих гипотез о возможном строении покрова Луны. Исследования инфракрасного излучения Луны показали, что его теплопроводность в сотни раз меньше теплопроводности земных горных пород и подтвердили вывод о высокой пористости уже более толстого (до 10 см) наружного слоя покрова Луны. Оценка свойств покрова Луны на еще большую глубину впервые была сделана В. С. Троицким и его сотрудниками. Путем регистрации радиоизлучения Луны они установили, что средняя плотность покрова Луны постепенно увеличивается. Так, на глубине до 4 см она может быть принята равной 0,6 г/см3, на глубине до 3 м — 1 г/см3, на глубине до 6 м— 1,5–2 г/см3. Эти данные относились ко всему диску Луны.

Физические свойства поверхности Луны использовались для разработки гипотез о строении покрова Луны. Однако в результате различного понимания процессов формирования покрова Луны и характера воздействия на него внешних (экзогенных) и внутренних (эндогенных) факторов данные наземных наблюдений по разному интерпретировались и привели к различным представлениям о строении покрова Луны.

Преобладающими были гипотезы о чрезвычайно пористом, пенистом, но твердом, как бы застывшем лавовом покрове Луны (В. С. Троицкий, Г. Койпер). Существовала также гипотеза о ноздреватом, губчатом строении покрова Луны, сложенного из спекшегося шлака (Н. Н. Сытинская), о рыхлом зернистом покрове (Н. П. Барабашов). В то же время упорно отстаивалась гипотеза пылевого покрова Луны, чрезвычайно рыхлого на глубину в несколько километров (Т. Голд).

Ожидалось, что детальное фотографирование поверхности Луны с помощью космических аппаратов снимет эти противоречия. В США в 1964–1965 гг. был проведен запуск серии аппаратов «Рейнджер», которые передавали телевизионные изображения поверхности Луны вплоть до их удара о поверхность Луны. На снимках, полученных с высоты вплоть до 300 м от поверхности, можно было различить детали с размерами до 0,5 м (тогда как на снимках с Земли наименьший размер составлял 300 м).

Однако анализ многочисленных (десятки тысяч) изображений не привел к однозначным представлениям о строении покрова Луны: несмотря на единство взглядов о высокой пористости покрова Луны, мнения о его прочности оставались существенно различными.

Так, например, в 1965 г. на конференции, организованной НАСА, возникли резкие разногласия по вопросу о несущей способности верхнего покрова Луны и ее зависимости от глубины. Названную Г. Койпером величину 1 кгс/см2 большинство участников конференции считали завышенной и предлагали ее снизить на 2–3 порядка.

Стала очевидной необходимость применения надежных инженерных методов определения механических свойств грунтов. Но для проведения этих исследований, в свою очередь, было необходимо осуществить мягкую посадку на Луну.

Определение физико-механических свойств наружного покрова Луны. Физико-механические характеристики необходимы были прежде всего для решения таких первоочередных технических проблем, связанных с освоением Луны, как обеспечение мягкой посадки на Луну и передвижения по ее поверхности. Важное научное значение этих характеристик состоит также в том, что они могут быть использованы в качестве геологических показателей условий формирования и существования покрова Луны.

Первые рекогносцировочные эксперименты были выполнены с помощью советских автоматических станций «Луна-9» и «Луна-13» и американских автоматических аппаратов серии «Сервейер». Выдающимся научно-техническим достижением стало осуществление мягкой посадки на Луну.

Впервые эту посадку совершила советская автоматическая станция «Луна-9».

В связи с тем что прочность покрова Луны, по существу, не была известна, конструкция станции «Луны-9» позволяла осуществить ее посадку как на весьма слабые пылевые грунты, так и на высокопрочные скальные горные породы (рис. 14).

Рис. 14. Схема посадок станции «Луна-9»:

1 — торможение лунной ракеты и наполнение газом эластичных мешков посадочного устройства; 2 — автоматический аппарат в посадочном устройстве на поверхности Луны; 3 — эластичные мешки после разделения; 4 — автоматический аппарат после отделения эластичных мешков (перед раскрытием антенн)

Общие представления о механических свойствах лунного грунта в месте посадки «Луны-9» были получены благодаря успешной мягкой посадке, которая показала, что грунт достаточно прочен для того, чтобы выдержать первый удар станции, находящейся в амортизационной оболочке, а также второй — при освобождении металлического контейнера из амортизаторов.

Первые приборы для измерения свойств покрова Луны были установлены на станции «Луна-13», которая опустилась на поверхность Луны в Океане Бурь 24 декабря 1966 г. Станция была оборудована тремя приборами для определения механических свойств грунта: пенетрометром, радиационным гамма-плотномером и динамографом. Последний был жестко укреплен внутри корпуса станции и измерял ускорения, возникавшие в процессе соударения станции с поверхностью Луны. Пенетрометр и плотномер были после посадки автоматически установлены на поверхность грунта в 1,5 м от корпуса станции.

Пенетрометр с помощью реактивного двигателя твердого топлива осуществил погружение в лунный грунт индентора и измерил возникающее сопротивление грунта.