Читаем Строение Луны онлайн бесплатно

Добыча глубоко скрытых под землей полезных ископаемых, предсказание землетрясений и извержений вулканов, сохранение экологического равновесия в природе в настоящее время являются важными задачами, стоящими перед человечеством. Для этого нужно было понять Землю, раскрыть тайны ее истории и устройства. Проникнуть в ее сверхсжатые и раскаленные глубины помогает геофизика. Сейсмическая волна, точно луч прожектора, «освещает» земные недра. Изучая отдельные свойства Земли, такие, как магнетизм, силу тяжести тепловой поток, ученые пытаются воссоздать цельную картину внутренней жизни планеты.

Однако далеко не все проблемы удается решить, находясь на Земле. Дело в том, что интенсивные магматические процессы многократно переплавляли материнские породы Земли; вода, ветер, живые организмы стирали следы ее ранней молодости, а тектонические движения, рождение гор, дрейф континентов перекраивали формы ее лика. Чтобы понять раннюю историю Земли, направленность ее развития и предвосхитить будущее, понадобился взгляд на Землю извне, из космоса. Такой «взгляд» дают лунные исследования.

Луна, лишенная атмосферы и гидросферы, — уникальное хранилище следов космической истории планет, ключ, с помощью которого люди надеялись (и, как оказалось, не напрасно) проникнуть в геологические тайны. Длительные наземные исследования Луны с помощью астрономических и астрофизических методов позволили получить многочисленные данные о закономерностях ее движения и физических условиях на лунной поверхности, однако этого оказалось недостаточно. Лишь развитие космической техники сделало возможным подключить к исследованиям Луны традиционные науки о Земле — геологию, геохимию и геофизику, владеющие мощными методами наблюдений и анализа данных.

Успешные полеты к Луне и ее фотографирование с близкого расстояния позволили прежде всего усилить геологические исследования Луны путем анализа ее фотоснимков. Доставка образцов лунного вещества открыла невиданные возможности исследования возраста и состава пород Луны методами геохимии, позволила установить последовательность событий в эволюции Луны. Первая мягкая посадка на Луне, осуществленная в 1966 г. советской автоматической станцией «Луна-9», открыла период активного исследования непосредственно на поверхности Луны. Советские автоматические станции первыми провели мягкую посадку в морском и континентальном районах Луны, фотографирование поверхности, измерение плотности и прочности лунного грунта, бурение поверхностного слоя, измерения физических свойств грунта на протяженных трассах.

Измерения механических, а также некоторых других физических характеристик грунта в различных точках поверхности Луны проводились американскими автоматическими станциями «Сервейер». Большой комплекс наблюдений на поверхности, отбор и доставку лунных образцов, измерение физических полей на Луне произвели американские космические экспедиции «Аполлонов».

Эта брошюра посвящена проблемам строения Луны. В ней кратко изложены история, методы и результаты комплексных физических исследований лунного грунта, коры и глубоких недр Луны, проведенных в минувшее десятилетие. Анализ всех накопленных данных позволил оценить состояние вещества недр Луны, ее состав и особенности эволюции и сравнить свойства Земли и Луны ради лучшего понимания нашей родной планеты (см. табл. 1 и 2).

Следует отметить, что исследования глубинного строения Луны, хотя они и принесли важные открытия, все же далеки от завершения. Ввиду ограниченности объема наблюдений строение, состав, состояние вещества Луны на больших глубинах известны неточно, толкование наблюдений оказывается неоднозначным.

Таблица 1

Физические характеристики Земли и Луны

Таблица 2

Физико-механические характеристики реголита[1]

В связи с этим авторам показалось естественным остановить внимание читателей не только на окончательных результатах, но также отметить меру их надежности, поговорить о методах исследований и о том первичном материале наблюдений, который лежит в основе последующих выводов. В частности, понадобилось заняться спецификой сейсмичности Луны, отражающей состояние недр и особенности планетарной структуры — разделение Луны на размягченную внутреннюю область и жесткую мощную литосферу, парализующую ее тектоническую активность.

Мы практически не анализируем здесь данные, касающиеся состава и возраста пород Луны, — эта важная и обширная тема требует специального рассмотрения. И наоборот, целые разделы были выделены для описания исследований лунного грунта, которые проводились по специальной методике, в большом объеме и представляют огромный научный интерес как с точки зрения усовершенствования космической техники, так и для экстраполяции открытых закономерностей на большие глубины.

Мы хотели бы, чтобы читатель ощутил всю фантастичность, сложность и рискованность лунных космических «одиссей», проникся гордостью за науку, заинтересовался историей развития и строением космических. «родственниц» — Земли и Луны, увидел «сквозь испещренное кратерами запыленное лунное окно» земные загадки и проблемы и пожелал посвятить свои силы изучению нашей неповторимой планеты.

Методика эксперимента. Наиболее важные сведения о строении и состоянии недр Луны были получены благодаря лунному сейсмическому эксперименту. Он проводился в рамках программы «Аполлон» и состоял из непрерывной регистрации естественных лунотрясений и падений метеоритов с помощью сейсмометров, установленных американскими космонавтами на поверхности Луны, а также из активного исследования — с помощью искусственных источников сейсмических волн: взрывов и ударов при падении космических аппаратов (лунной кабины, ступени ракеты-носителя) на поверхность Луны. [2]

Первый лунный сейсмометр был установлен 20 июля 1969 г. в Море Спокойствия на видимой стороне Луны во время экспедиции «Аполлона-11». Он питался солнечными батареями и вел сейсмическую запись только днем. В период с ноября 1969 г. по декабрь 1972 г. на. видимой стороне Луны была создана сеть из четырех однотипных автоматических сейсмических станций, которые питаются изотопными энергетическими установками, рассчитанными на 10 лет непрерывной работы. Координаты и дата начала работы станций приведены в таблице.

Каждая из этих станций оборудована сейсмометрами двух типов и электронным блоком (рис. 1). Три длиниопериодных сейсмометра расположены вертикально и горизонтально и позволяют фиксировать сейсмические волны от удаленных источников и определять направление на эпицентр. Для более точного выделения воля на малых расстояниях используется вертикальный короткопериодный сейсмометр. Эти сейсмометры чувствуют ничтожные перемещения поверхности, соизмеримые с размерами атома (10^-8 см). На Земле вести наблюдения при такой чувствительности аппаратуры почти невозможно: мешают микросейсмы, волнение океана, ветер, а также промышленные механизмы. Луна в связи с отсутствием атмосферы, гидросферы, биосферы и активных внутренних процессов представляет собой идеальный полигон для сверхточных сейсмических исследований.

Электронный блок сейсмической станции включает усилитель, фильтр, командно-контрольную схему и аналого-цифровой преобразователь (передача сейсмических данных на Землю происходит со скоростью 1060 бит/с). Вся станция потребляет мощность лишь 4,3–7,4 Вт; температура внутри приборов постоянная с точностью ±1 °C. Вес каждого сейсмометра 750 г, размеры без термостата 23 х 29 см. Общий вес сейсмической станции 11, 5 кг. Сейсмометры управляются с Земли при помощи команд, которые регулируют усиление, калибровку, скорость и направление движения моторов, устанавливающих с точностью ±5° нужные азимут и наклон вертикальных сейсмометров.

Рис. 1. Лунные сейсмометры (а — блок-схема, б — частотные характеристики):

1 — солнечный компас; 2 — датчик уровня; 3 — короткопериодный сейсмометр (КП); 4 — длиннопериодный сейсмометр (ДП); 5 — термостат

В настоящее время действуют все сейсмометры этой сети, кроме короткопериодного, установленного экспедицией «Аполлона-12», и вертикального длиннопериодного сейсмометра «Аполлона-14».

Лунные сейсмограммы совершенно непохожи на земные (рис. 2): амплитуда зарегистрированных сейсмических колебаний нарастает постепенно и спадает еще более медленно («сейсмозвон» на Луне длится часами). Записи на вертикальном и горизонтальном сейсмометрах непохожи друг на друга, и не существует четких вступлений волн в последующей части записи — для их выделения приходится прибегать к различным ухищрениям: использовать узкополосные частотные и поляризационные фильтры и т. д.

Рис. 2. Форма записи тектонических, приливных лунотрясений и ударов метеоритов

Для этих вначале заинтриговавших особенностей лунных сейсмограмм было получено объяснение. Дело в том, что верхний слой Луны очень неоднороден и разбит трещинами вследствие метеоритной бомбардировки. Сейсмические сигналы, рассеиваясь на этих неоднородностях, растягиваются «во времени» и разрушаются. При этом из-за отсутствия на Луне воздуха и воды тепловые потери упругой энергии невелики, и, наоборот, так называемая сейсмическая добротность (величина, обратная потере энергии на одном цикле сейсмических колебаний) большая — поэтому-то колебания не затухают очень долго (рис. 3).

Особенности распространения сейсмических волн в такой неоднородной среде довольно точно описываются уравнениями диффузионной теории (кстати говоря, как и в случае броуновского движения молекул). С помощью этих уравнений получены следующие оценки свойств лунного рассеивающего слоя: его эффективнаямощность равна 15–25 км, размеры неоднородностей— 2–5 км (причем степень неоднородности уменьшается с глубиной).

Приливные лунотрясения. Среди естественных сейсмических событий на Луне выделяют приливные, тепловые и тектонические лунотрясения, а также падения метеоритов. Сейсмологами разработаны критерии распознавания природы события по виду его записи, подобные тем, которые используются на Земле для идентификации землетрясений и ядерных взрывов.

Тепловые сотрясения почвы вызываются перепадами температур поверхности Луны, достигаемых в течение лунного дня и лунной ночи (до 300 °C). Они сопровождаются растрескиванием огород и оползанием склонов кратеров, что приводит к медленному выравниванию лунного рельефа (за 5 млн. лет склон 200-метрового кратера становится более пологим на 1°). Однако абсолютное большинство всех сейсмических явлений на Луне (около 90 %) составляют относительно редкие, регулярные, весьма слабые приливные лунотрясения с очень глубокими очагами.

В настоящее время проанализированы сейсмические данные, полученные с помощью лунных сейсмометров за период с ноября 1969 г. по июль 1972 г. За это время зарегистрировано около 5400 сейсмограмм приливных лунотрясений. В среднем около 600 таких лунотрясений ежегодно фиксируется в Океане Бурь на станции «Аполлона-12», 650 — в Апеннинах («Аполлон-15»), 1500 — в районе Фра-Мауро («Аполлон-14») и около 3000 — в районе кратера Декарт («Аполлон-16»). Различие в количестве подобных сейсмических явлений, зарегистрированных станциями, объясняется грунтовыми условиями: лунотрясений больше там, где мощнее верхний слой грунта и подстилающих его обломочных пород — брекчий. Всеми станциями регистрируется в среднем около 700 приливных лунотрясений в год, но только 25 % записей из них пригодны для анализа.

Все приливные лунотрясения очень слабы. Энергия, выделяемая в их очаге, составляет 10⁷ — 10⁹ эрг, что эквивалентно световой энергии люстр в Большом театре. Условная величина интенсивности события, принятая в сейсмологии — магнитуда, — для приливных лунотрясений равна 0,5–1,3, тогда как у самых сильных землетрясений она достигала 8, 5. На Земле сотрясения почвы, столь же слабые, как приливные лунотрясения, не удается различить на фоне более интенсивных микросейсм. Если просуммировать энергию по всем известным очагам приливных лунотрясений и считать, что на обратной стороне сейсмичность не выше, чем в районе Декарта, то получится общий расход сейсмической энергии приливных лунотрясений в год, равный 10¹⁰ — 10¹² эрг. Это более чем в триллионы раз меньше энергии землетрясений.

Рис. 3. Характер убывания амплитуд на сейсмограммах:

1 — земные сейсмограммы на скальном грунте; 2 — земные — на слое осадков; 3 — теоретическая кривая для диффузионного рассеяния; 4 — экспериментальная кривая для Луны

Кривые зависимости числа лунотрясений от амплитуды колебания грунта в сейсмической волне, эквивалентные «графикам повторяемости» землетрясений, показывают силу самого большого сотрясения, а также количество самых слабых толчков. Их— наклон для лунотрясений в 1,5–3,7 раза круче, чем у тектонических землетрясений. Это значит, что Луна устроена так, что в ней происходит много слабых сейсмических толчков и невозможны сильные. Подобные зависимости на Земле получаются для мелкоочаговых вулканических землетрясений, а также для подводных землетрясений в регионах срединных океанических хребтов.

Благодаря тому что сейсмические станции на Луне расположены в вершинах треугольника со сторонами около 1000 км, удается определять как положение эпицентра, так и глубину очага лунотрясения (эпицентром называется проекция очага на поверхность). Однако из-за малого количества станций точность таких определений невелика (50 — 100 км). Для всех очагов форма записи остается постоянной за все время наблюдения. По этому свойству выделена 41 очаговая зона, для 27 из них определены координаты эпицентров, а для 18 — глубины очагов.

Эпицентры группируются в два узких протяженных сейсмических пояса. Первый располагается примерно по меридиану (по 20–30° з. д.), начинается у 30° с. ш. и растягивается на 2000 км до 40° ю. ш. (расширяясь от 100 км на севере до 200–300 км на юге). Второй пояс шириной более 300 км тянется на 1800 км от центра видимой стороны Луны на восток-северо-восток. Близ его продолжения находится единственный эпицентр, зафиксированный на обратной стороне Луны.