§ 132. Луна

Луна — ближайшее к Земле небесное тело. Ее радиус 1737 км, среднее расстояние от Земли 384 400 км.

Масса Луны в 81,3 раза меньше массы Земли, а ускорение силы тяжести на лунной поверхности

что примерно в шесть раз меньше земного. Параболическая скорость на лунной поверхности

или в 4,6 раза меньше, чем на Земле. Благодаря близости к Земле, малой силе тяжести и малой параболической скорости на поверхности, посадка на Луну космического корабля (и взлет с ее поверхности) может быть осуществлена относительно просто. Поэтому Луна явилась первым естественным небесным телом, на которое высадились космонавты (июль 1969 г., Н. Армстронг и Э. Олдрин).

Отношение массы Луны к массе Земли (1/81,3) очень велико по сравнению с аналогичными величинами для спутников других планет. Следующее по порядку место занимает спутник Нептуна Тритон, но его масса уже в 700 раз меньше массы планеты. Поэтому есть основание считать систему Земля — Луна двойной планетой. Другой особенностью Луны является ее относительно малая средняя плотность — 3,3 г/см³, которая в полтора раза меньше средней плотности Земли (5,5 г/см³). Вероятно, это объясняется тем, что Луна, в отличие от Земли, не имеет плотного ядра.

В § 79 подробно разбирался вопрос о вращении Луны. Напомним, что период вращения нашего спутника вокруг оси равен периоду его обращения вокруг Земли, и только благодаря либрациям наблюдаемая с Земли доля лунной поверхности несколько превышает половину. Вращение такого типа называется синхронным.

Наиболее крупные детали лунной поверхности — «моря» и большие горные районы — видны даже невооруженным глазом. В любой телескоп, зрительную трубу или бинокль можно наблюдать своеобразные формы лунного рельефа. Первым наблюдал Луну в телескоп Галилей. Он и назвал большие темные области морями, и это название сохраняется по традиции, хотя известно, что лунные моря не содержат воды.

На рис. 155 приведена карта лунной поверхности, пользуясь которой можно ознакомиться с основными особенностями лунного рельефа. Обширные светлые участки лунной поверхности, называемые материками, занимают около 60% видимого с Земли диска. Это неровные, гористые районы. Остальные 40% поверхности — моря, ровные гладкие области. Им были присвоены в XVII в. наименования: Море Спокойствия, Море Дождей, Море Ясности, Океан Бурь и т.д. Части морей, вдающиеся в материки, называются заливами, изолированные темные пятна небольших размеров — озерами. Области, промежуточные по яркости между материками и морями, иногда называются болотами.

Материки пересечены горными хребтами. Они расположены главным образом вдоль «побережий» морей. Лунные горные хребты называются по именам земных горных цепей: Апеннины, Кавказ, Альпы, Алтай.

Одна из наиболее характерных форм лунного рельефа — кратеры. Лунный кратер состоит из кольцевого вала, внутри которого находится равнина (дно), а в центре равнины — центральная горка, высота которой обычно меньше высоты вала. Самые крупные кратеры имеют диаметр до 100 км.

Большие лунные кратеры названы именами ученых. Некоторые из них показаны на рис. 156 и 157. Количество мелких кратеров очень велико. Фотографии, полученные американскими лунными станциями серии «Рейнджер» с расстояния менее 1 км, показывают отчетливые изображения кратеров диаметром около 1 м (рис. 158).

Образования, подобные кратерам, но без центральной горки, называются цирками. В тех случаях, когда дно темное (подобно морям), цирки называются кратерными морями. Цирки, как и кратеры, названы именами ученых (Платон, Птолемей и др.).

Около некоторых кратеров наблюдается светлое вещество, ясно образующее лучи, радиально расходящиеся от них. Особенно хорошо развита система лучей около кратера Тихо. Среди других форм лунного рельефа можно отметить валы — длинные узкие возвышения, которые тянутся через моря, а также трещины, и круглые, лишенные вала, чашеобразные лунки или кратерочки. Имеется множество форм аномального характера, например, кратеры с двойным и даже тройным валом, пересекающиеся кратеры и т.д.

В расположении и строении форм лунного рельефа можно отметить определенные закономерности. Моря образуют, например, пояс неправильной формы, ширина которого составляет около 60°, а средняя линия идет по большому кругу. К лунному экватору он наклонен на 23°. На материках гораздо больше кратеров и цирков, чем на морях. Общий объем вала и центральной горки кратера приблизительно равен объему впадины, образуемой дном (дно обычно ниже окружающей поверхности). Эта закономерность называется правилом Шретера.

Самое благоприятное время для наблюдения лунных деталей — вблизи первой и последней четверти, когда они очень контрастны.

Рис. 158. Фотографии лунной поверхности, переданные телевизионными камерами автоматической межпланетной станции «Рейнджер-7» (США, 1964 г.):

а) высота 19,6 км, самые маленькие кратеры имеют диаметр около 15 м; б) последнее изображение, принятое с борта "Рейнджер-7", высота около 300 м, размер площадки, изображенной на фотографии, 30Х20 м.

Все неровности лунной поверхности отбрасывают в эти периоды хорошо заметные тени, длина которых тем больше, чем ближе данная деталь к терминатору. По длине теней определяется высота лунных образований. Вершины гор, находящиеся за пределами терминатора, некоторое время освещаются солнечными лучами. Это явление тоже используется для определения высоты лунных гор. Высота образований, расположенных вблизи лимба, находится непосредственно из наблюдений формы лимба.

Благодаря либрации этим способом может быть исследована довольно широкая полоса вдоль краев диска. Наконец, либрация позволяет определять высоту еще одним способом: сопоставляя снимки Луны при разных углах поворота, можно получить нечто вроде стереоскопического изображения. Высота лунных образований может быть определена с очень хорошей точностью: тень от горки высотой в 10 м имеет различимые размеры вблизи терминатора. Наибольшая высота лунных гор достигает 9 км.

Рис. 159. Фотография невидимой с Земли стороны Луны, полученная автоматической межпланетной станцией «Зонд-3» 20 июня 1965г. в 5^h25^m по московскому времени.

Крупное темное пятно справа — Море Восточное. Левее его расположены объекты, невидимые с Земли. В нижнем левом углу — фотометрическая шкала.

Около 40% лунной поверхности оставались недоступными для исследования из-за синхронного вращения нашего спутника до тех пор, пока не был совершен облет Луны советской межпланетной станцией «Луна-3» (1959 г.). Она впервые сфотографировала обратную сторону Луны.

К числу наиболее выдающихся деталей обратной стороны Луны относятся Море Москвы, Море Мечты, кратеры Циолковский, Лобачевский, Ломоносов, Максвелл. Моря, расположенные на обратной стороне Луны, имеют гораздо меньшие размеры, чем на видимой с Земли, кроме того, их очень мало. В 1965 и 1969 гг. советские межпланетные станции «Зонд-3» и «Зонд-7» повторили фотографирование обратной стороны Луны (рис. 159). Новые фотографии дают значительно больше деталей, чем прежние. Подтвердилось, что обратная сторона Луны имеет определенные отличия от стороны, обращенной к Земле. Низменные районы на обратной стороне представляют собой не темные, а светлые области, и они, в отличие от обычных морей, были названы талассоидами (мореподобными). На видимой с Земли стороне низменности залиты темной лавой; на обратной стороне этого не произошло, за исключением отдельных участков. Пояс морей, о котором упоминалось выше, продолжается на обратной стороне талассоидами. Несколько небольших морей, найденных на обратной стороне, расположены в центре талассоидов.

В апреле 1966 г. был выведен на орбиту первый в мире искусственный спутник Луны «Луна-10». Запущенные вскоре американские спутники Луны «Лунар Орбитер» провели систематическое фотографирование лунной поверхности с разрешением около 200 м (наземные телескопы дают разрешение не лучше 1 км). Аппараты серии «Рейнджер», совершившие жесткую посадку, фотографировали лунную поверхность при подлете с расстояний всего в несколько километров.

31 января 1966 г. к Луне была запущена советская автоматическая межпланетная станция «Луна-9», которая 3 февраля 1966 г. совершила, впервые в истории человечества, мягкую посадку на лунную поверхность в Океане Бурь, к западу от кратеров Марий и Рейнер. 4 и 5 февраля станция передала на Землю изображение лунного ландшафта в области прилунения (рис. 160). Этот эксперимент положил начало систематическому исследованию лунной поверхности с помощью АМС, совершающих мягкую посадку.

Первые сведения о характере лунной поверхности были получены из астрономических наблюдений. Глаз наблюдателя воспринимает Луну как яркий, слегка желтоватый диск. Это впечатление в некоторых отношениях обманчиво: отражательная способность Луны очень низка.

Отражательная способность некоторой плоской поверхности, освещенной параллельными лучами, выражается через ее альбедо. Альбедо — это отношение потока, рассеянного по всем направлениям, к падающему. Аналогичная величина может быть введена для средней отражательной способности сферы. Она носит название сферического альбедо. Сферическое альбедо Луны в визуальных лучах составляет всего лишь 0,06 и, кроме того, альбедо систематически увеличивается с длиной волны, так что на самом деле цвет Луны красноватый, а не желто-белый.

Отражательная способность светлых областей в два-три раза больше, чем темных. Самые яркие районы — скопления светлого вещества вблизи лучевых кратеров — отражают приблизительно 20% падающего на них света.

Спектральная отражательная способность, т.е. зависимость альбедо от длины волны для всех частей лунной поверхности,

Рис. 160. Фотография лунного ландшафта, переданная станцией «Луна-9»

после мягкой посадки.

почти одинакова, различаются только абсолютные величины коэффициента отражения. Поглощенное лунной поверхностью солнечное излучение нагревает ее. Температура днем определяется уравнением теплового баланса

bs T ^4 + F = E (1 — A) cos z,

(10.5)

где Е — энергетическая освещенность, А — альбедо, z — зенитное расстояние Солнца в данной точке, Т — температура, b — коэффициент излучения, s — постоянная Стефана — Больцмана. В правой части уравнения стоит количество энергии, поглощаемой поверхностью в единицу времени, а в левой — энергия, излучаемая по закону Стефана — Больцмана, плюс отводимая в глубь за счет теплопроводности (F ). Ночью правая часть равна нулю и температура определяется уравнением

bs T ^4 + F = 0.

(10.6)

Днем поток F направлен от поверхности внутрь, ночью, наоборот, к поверхности, и берется со знаком «минус».

Согласно закону Вина максимум распределения энергии в спектре собственного теплового излучения подсолнечной точки Луны находится вблизи

По мере удаления от подсолнечной точки температура должна уменьшаться, а максимум смещаться в сторону более длинных волн. Для сравнения напомним, что максимум распределения энергии в спектре Солнца находится вблизи 4700 Å = 0,47 мк. Так как планковская кривая очень круто спадает с уменьшением длины волны при l > l _max (см: § 108), получается, что в видимой области спектра собственным излучением Луны можно пренебречь; Луна здесь светит только отраженным светом. С увеличением длины волны интенсивность отраженного света уменьшается (поскольку его спектр приблизительно повторяет солнечный), а интенсивность собственного излучения Луны увеличивается. В окне прозрачности земной атмосферы, расположенном в области от 8 до 14 мк, отраженное излучение ничтожно мало по сравнению с собственным, а в радиодиапазоне — тем более.

При излучении энергия уходит не с самой поверхности, а с некоторой глубины, которая зависит от длины волны и электропроводности материала. Чем больше длина волны, тем в среднем больше глубина излучающего слоя. Инфракрасное излучение уходит с глубины порядка 0,1 мм, и его интенсивность определяется практически температурой поверхности. А вот радиоволны с длиной 10 см выходят с глубины порядка 1 м. Измерения инфракрасного излучения Луны и ее радиоизлучения показали следующее:

1) В дневное время температура поверхности Луны составляет в полдень на экваторе около 390°К.

2) В ночное время температура поверхности очень низка, = 100-120° К.

3) Теплопроводность, определяющая величину F, очень мала; она близка к теплопроводности сухого песка в вакууме. Колебания температуры от дня к ночи почти полностью сглаживаются уже на глубине 10 см.

Итак, астрономические наблюдения указывали на пористый характер лунного поверхностного материала. Это подтвердили исследования лунного грунта, проводившиеся сначала на Луне первыми космическими аппаратами, совершившими мягкую посадку. Наиболее же детальные данные о лунном грунте были получены после доставки его образцов на Землю. Эта доставка была осуществлена экипажами американских космических кораблей «Аполлон» и советскими автоматическими станциями «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24».

Что же представляет собой доставленный на Землю лунный грунт? Его средняя плотность 1-1,5 г× см ^-3, пористость около 50%. Можно выделить четыре типа пород, слагающих лунную поверхность: мелкозернистые пористые изверженные породы (тип А), крупнозернистые пористые изверженные породы (тип В), брекчии (обломки изверженных пород и минералов, многие из них были расплавлены в результате метеоритной бомбардировки) и реголит (мелкие частицы, пыль). Первые три группы одинаковы по химическому составу; реголит содержит примесь метеоритного вещества. Химический состав лунных пород похож на состав земных, но имеются заметные отличия: избыток тяжелых элементов, таких как Сг, Ti , Zr, и недостаток легких — Sn, К, Na.

Возраст лунных изверженных горных пород очень велик, их кристаллизация происходила три-четыре миллиарда лет назад. Некоторые лунные породы кристаллизовались раньше древнейших земных. Характер лунных брекчий и реголита (наличие оплавленных частичек и обломков) свидетельствует о непрерывной метеоритной бомбардировке, но скорость разрушения ею поверхности невелика, около 10^-7 см/год. Космические аппараты, оставшиеся на Луне, простоят миллионы лет.

В течение многих месяцев путешествовал по Луне советский «Луноход-1», доставленный станцией «Луна-17» в ноябре 1970 г. Передавалось большое количество панорамных снимков (рис. 161), изучался состав лунного грунта вдоль трассы, проводился ряд других исследований. Это была весьма совершенная передвижная лаборатория. В январе 1973 г. станцией «Луна-21» на Луну был доставлен «Луноход-2» с аналогичной программой. Применение исключительно автоматических средств для исследования Луны отличает советскую программу исследования Луны от американской, ориентированной на полеты космонавтов. Автоматические станции имеют много преимуществ — они дешевле, легче обитаемых, позволяют проводить более длительные исследования.

Сейсмографы, доставленные на Луну, отметили много небольших «лунотрясений», в основном связанных, вероятно, с падениями метеоритов. Их данные не указывают на сколько-нибудь серьезную сейсмическую активность, но Луна, без сомнения, не является геологически мертвой планетой. Это доказывают наземные наблюдения — на Луне отмечались яркие вспышки, связанные, видимо, с извержениями вулканов, и был даже сфотографирован спектр газового облака, выброшенного в районе центральной горки кратера Альфонс (см. рис. 157).

Тем не менее у Луны почти наверное нет жидкого ядра. Об этом говорит отсутствие магнитного поля (у Земли оно поддерживается токами в жидком ядре). Еще в 1959 г. магнитометр, установленный на советской космической ракете, показал, что магнитное поле Луны не превышает одной десятитысячной доли земного.

Большие споры вызывает вопрос о природе типичных лунных образований — кратеров, морей, гор и т.д. Кажется естественным предположить, по аналогии с Землей, что лунные образования имеют вулканическое происхождение. В пользу этого говорят и некоторые наблюдательные факты. Например, гладкие моря очень напоминают большие лавовые поля. В некоторых местах видно, как лава заливала и обтекала другие образования. Истечение лавы, образовавшее море, произошло сравнительно поздно, и это объясняет, почему на них мало кратеров: старые были залиты, а новые не успели образоваться.

Однако среди лунных образований есть много таких форм, которые на Земле встречаются крайне редко. Это цирки, кратеры, лунки, светлые лучи. Форма кратеров наводит на мысль, что они могут иметь совсем другое происхождение. Представим себе, что в лунную поверхность ударил большой метеорит. При этом происходит взрыв, образуется круглая воронка, выброшенное вещество может сформировать вал, а разлет более легких остатков — систему лучей. Все эти явления наблюдаются при сильных взрывах на Земле. Более тонкое рассмотрение показывает, что таким способом можно объяснить и наличие центральной горки. Правило Шретера тоже очень естественно объясняется гипотезой взрыва. На Земле известно несколько больших метеоритных кратеров, сохранившихся более или менее хорошо (крупнейший из них — Аризонский кратер) и, кроме того, в последнее время было найдено большое количество разрушенных кольцевых образований, которые представляют собой, по-видимому, остатки древних метеоритных кратеров. Создается впечатление, что Земля и Луна в далеком прошлом подвергались более сильной метеоритной бомбардировке, чем сейчас, и тогда возникло значительное количество цирков и кратеров. На Земле они были стерты в результате выветривания, а Луна сохранила следы этой катастрофической эпохи. Большое число кратеров сохранилось и на Марсе (см. § 136).

Вероятно, часть кратеров имеет метеоритное происхождение, а часть — вулканическое. В некоторых случаях играло роль одновременное действие обоих эффектов, так как падение метеорита может нарушить прочность лунной коры и привести к образованию вулкана, к прорыву лавы, истечению газов и т.д. Таким образом, одни образования могут иметь чисто вулканическое происхождение, другие — чисто метеоритное, третьи — комбинированное.

Несколько слов о лунной атмосфере. В последние десятилетия были поставлены очень тонкие исследования с целью обнаружить следы хотя бы очень разреженной атмосферы (не отдельных выбросов газа, которые, как указывалось выше, наблюдались, а постоянной атмосферы). Использовалось несколько независимых методов.

Один из них — оптические наблюдения яркости и поляризации вблизи лунных рогов. Если атмосфера существует, рога должны чуть-чуть заходить на неосвещенную сторону Луны. При рэлеевском рассеянии излучение поляризуется, и поляризация достигает 100% при угле фазы 90° (она равна нулю при фазовом угле 0° и 180°). Поэтому наличие атмосферы привело бы к слабому поляризованному свечению на концах рогов при углах фаз, близких к 90°. Это свечение искали очень тщательно, однако обнаружить его не удалось. Отсюда был сделан вывод, что лунная атмосфера, если она существует, по плотности по крайней мере в 10⁹ раз уступает земной. У земной поверхности концентрация молекул в атмосфере равна 2,7 ´ 10¹⁹ см ^-3. Следовательно, верхний предел концентрации молекул в лунной атмосфере составляет около 10¹⁰ см ^-3. Такая концентрация имеет место в земной атмосфере на высоте около 200 км. Прямые измерения концентрации атомов в лунной атмосфере были проведены с помощью приборов, оставленных на Луне американскими космонавтами. Оказалось, что в дневное время лунная атмосфера содержит около 10⁶ атомов водорода и 6×10⁴ атомов неона. Ночью концентрация на порядок меньше.

Таким образом, лунная атмосфера крайне разрежена, состав ее резко отличается от земной (а также, например, марсианской, см. § 136) и плотность сильно меняется в течение суток. Возникает вопрос, почему это так? Ведь на Луне, по крайней мере в прошлом, должны были действовать вулканические процессы. Недавно были получены доказательства, что они действуют и сейчас. При вулканических процессах на поверхность выбрасываются газы, такие как СО₂ , Н₂О, NН₃ . Вся земная атмосфера, как теперь считают, имеет вулканическое происхождение. Куда же деваются газовые продукты вулканической деятельности на Луне? Многие из них удаляются в результате диссипации, из-за малой параболической скорости. Такие газы, как кислород и азот, покидают Луну очень быстро. Тяжелый углекислый газ тоже не мог бы удержаться, так как он диссоциируется солнечным ультрафиолетовым излучением. Однако при радиоактивных процессах в лунной коре должны образовываться тяжелые инертные газы Аr, Кr, Хе, диссипация которых и на Луне протекает медленно. Их удаляет с Луны другой физический процесс, а именно — взаимодействие корпускулярных потоков с лунной атмосферой. Магнитное поле и кинетическая энергия, которые несут эти потоки, вполне достаточны для «сдувания» инертных газов, выделяющихся из коры. С другой стороны, некоторая доля водорода, гелия и неона, содержащихся в корпускулярных потоках, захватывается Луной и образует ту очень разреженную атмосферу, которая была обнаружена.