Строение Луны - Игорь Галкин

В 1964 г. советские астрономы во главе с В. С. Троицким измерили тепловое излучение Луны в диапазоне длин волн от 1 мм до 3 см и получили неожиданно высокое значение среднего теплового потока (0,85 — 0,95) 10-6 ккал/см2с, почти втрое превышающее расчетное. Это могло свидетельствовать о более высоком содержании радиоактивных изотопов или о том, что источники тепла сконцентрированы вблизи поверхности.

Неожиданный результат был подтвержден непосредственным измерением теплового потока на Луне. Прямые измерения теплового потока на лунной поверхности были проведены в двух экспедициях астронавтов на Луну: в июле 1971 г. в районе Хэдли Рилл на восточном краю Моря Дождей («Аполлон-15») и в декабре 1972 г. в районе Тавр-Литтров в узком заливе на юго-востоке Моря Ясности («Аполлон-17»). Астронавты пробурили скважины, вставили фиброгласовые трубки и поместили в них термозонды для измерения температуры и теплопроводности. Каждый зонд обеспечивал измерение на 11 глубинах и состоял из 8 платиновых термометров сопротивления и 4 термопар. Было установлено 2 зонда на глубинах 1 и 1,4 м на станции «Аполлона-15» и один на 2,3 м — на «Аполлоне-17». Отсчеты передавались на Землю каждые 7 мин. Обработаны данные за 3,5 года по первой и за 2 года по второй станциям. Сигналы начинали анализироваться лишь через месяц после запуска приборов, когда установилось их тепловое равновесие с реголитом. Несмотря на огромные тепловые контрасты на поверхности (+130 °C днем, — 170 °C ночью), температурные флуктуации практически затухали на глубине 0,8 м. тогда как годовые колебания температуры ощущались на всех исследованных глубинах. Для измерения теплопроводности лунного грунта по команде с Земли на 36 ч были включены электронагреватели. По тому как росла температура, определяли величину теплопроводности. Теплопроводность реголита оказалась очень низкой и сильно зависящей от температуры. У поверхности она составляла лишь 0,3 · 10-5 ккал · (см · К)-1, глубже по мере уплотнения она возрастала, достигая на глубине 1–2 м значений ~0,24 · 10-4 ккал · (см · К)-1, в 250-метровом верхнем слое теплопроводность, по-видимому, остается очень низкой, на 2–3 порядка меньше, чем в недрах Луны, в 10 раз меньше, чем в прекрасном теплоизоляторе — воздухе, и в 40 раз меньше, чем в воде. Таким образом, реголит Луны, образовавшийся в результате перемалывания обломочных пород ударами метеоритов, представляет своеобразное «одеяло», играющее для Луны роль термостата и уменьшающее потерю ее тепла. Например, при образовании Моря Дождей обширные прилегающие территории были покрыты обломочными породами. Благодаря этому за последние 100 млн. лет температура на глубине 25 км должна была подняться с 300 до 480 °C. По величине теплопроводности и по перепаду температур был рассчитан тепловой поток, проходящий через поверхность Луны. Его значения для района Апеннин — 0,53 · 10-6 ккал · (см2 · с)-1, в районе Декарта — 0,38 · 10-6 ккал · (см2 · с)-1. Различие на 40 % превосходит погрешности измерений, эффект местного рельефа и характеризует горизонтальную изменчивость содержания радиоактивных изотопов в лунной коре.

Физика лунных недр

Планетарные особенности. Задолго до космических полетов были рассчитаны масса, средняя плотность, радиус Луны, ее вращение и параметры орбиты. У планет Солнечной системы, как правило, несколько спутников с относительно небольшими массами. Луна у Земли единственная, относительная ее масса большая (1/83 массы Земли), расстояние от Земли равно 60 земным радиусам.

Луна вращается вокруг Земли по слабо вытянутому эллипсу с периодом, совпадающим со временем ее обращения вокруг собственной оси (и поэтому Луна всегда повернута к Земле одной стороной). Лунные сутки почти равны земному месяцу — 27,3 земных суток.

Видимая фигура Луны — сфера с радиусом 1738 км (в 3,6 раза меньше земного). Благодаря вращению Луна слегка сплющена, ее точная фигура — трехосный эллипсоид, но оси отличаются мало. Полярный радиус на 2 км меньше среднего, а направленный к Земле — вследствие ее притяжения на 1 км больше. Взаимное притяжение Земли и Луны вызывает сложное приливное взаимодействие, влияющее на структуру и тектонику обоих небесных тел.

Существенная особенность Луны — центр масс смещен от геометрического на 3 км к Земле и на 1 км влево (если смотреть с Земли). Рельеф поверхности также асимметричный: на видимой стороне он на несколько километров ниже уровенной поверхности, на обратной — выше. Максимальный размах рельефа поверхности Луны достигает 14 км, а самая высокая вершина не уступает Джомолунгме.

Астрономические измерения момента инерции Луны показали, что он близок к однородной сфере (0,4), одно время даже казалось, что плотность в недрах Луны слегка уменьшается к центру. Позже выяснилось, что такой инверсии плотности на Луне нет, но рост ее с глубиной невелик. Об этом же свидетельствует тот факт, что средняя плотность Луны (3,34 г/см3) близка к плотности образцов лунной коры и практически равна плотности минералов, слагающих верхнюю мантию Земли. Все это свидетельствует об относительной однородности строения Луны по сравнению с Землей. Земля имеет огромное плотное ядро, так что ее момент инерции (0,33) намного меньше, чем у однородной сферы, а средняя плотность (5,54 г/см3) существенно больше, чем у пород мантии.

Последние космические исследования установили слоистую внутреннюю структуру Луны. Она состоит из отдельных различающихся физическими свойствами оболочек (кора, мантия, проблематичное ядро), только отличия эти не такие резкие, как у Земли.

Многие планетарные свойства Луны отличаются от Земли. На Луне отсутствует атмосфера, гидросфера, биосфера. Нет стабильного дипольного магнитного поля. В то же время поток тепла из недр неожиданно велик, что может свидетельствовать о завершении процесса выделения коры из вещества мантии и концентрации в ней всех радиоактивных элементов.

Неравновесность, асимметричность фигуры Луны, смещение центра масс, равно как аномалии гравитационного и других селенофизических полей, указывают на горизонтальную неоднородность структуры Луны. Рассмотрим устройство лунных недр по оболочкам.

Лунная кора. Как и на Земле, на Луне имеется кора» отделенная от мантии резкой границей. Толщина лунной коры в юго-восточной части Океана Бурь (60–65 км) такая же, как в горах Памира или Гималаях и больше не только океанической (7 — 10 км), но и континентальной земной коры (40 км) (рис. 10). Лунная кора составляет одну тридцатую часть размеров Луны, и таким образом, по отношению к радиусу планеты она в 5 раз толще средней земной коры.

Рис. 10. Сравнение скоростных моделей Луны (1 — пример разреза; 2 — полоса возможных моделей) и Земли (3 — континент; 4 — зона перехода; 5 — океан)

Сейсмические измерения, дающие наиболее точные оценки мощности коры, проведены пока лишь в Океане Бурь. По другим, в особенности гравиметрическим, данным можно заключить, что мощность коры в разных районах различная: в восточном полушарии, а также на обратной стороне Луны кора в несколько раз мощнее, чем в западном. Возможно, что в районе масконовых Морей Кризисов и Ясности более плотное подкоровое вещество залегает ближе к поверхности, здесь толщина коры уменьшается до 70–80 км.

Различие физических свойств пород коры в разных районах отмечается не только по скоростям сейсмических волн и плотностям пород — они по-разному намагничены и имеют разную электропроводность.

Они делятся на два типа: темные базальты «морей» и светлые богатые плагиоклазами и алюмосиликатами габбро-анортозиты континентов. В земных лабораториях измерены скорости упругих волн в образцах лунных пород. В результате их сравнения с сейсмическими скоростями высказаны предположения о составе пород коры. Можно думать, что первозданная лунная кора сложена габбро-анортозитами — продуктом разделения исходного вещества Луны. Кстати, анортозиты относятся к числу самых древних пород и на Земле. На континентах Луны кора однослойная, на морях имеется базальтовый слой. Возможно, базальты слагают 25-километровую толщу, и увеличение скорости на 1 км/с объясняется здесь сменой химического состава коры — переходом от базальтов к габбро-анортозитам. Такая мощность базальтов получается, если предположить, что различие в рельефе морей и континентов Луны (в среднем 4 км) компенсируется массой более плотных базальтов, так что на некоторой глубине наступает равновесие: вес столба вышележащих пород на морях и континентах оказывается одинаковым.

Однако многие геологи сомневаются, что базальтовый слой, образовавшийся при глубинных излияниях лавы в результате раздробления и пробоя коры метеоритами, может быть таким мощным. Судя по результатам активного сейсморазведочного эксперимента в районе посадки «Аполлона-17», уже на глубине 1,5 км скорости пробега сейсмических волн такие, как в образцах окружающих гор Тавр. В таком случае вся остальная толща коры анортозитовая, быстрый рост скорости в верхнем слое объясняется уплотнением пород, а ее скачок на глубине 25 км означает полное закрытие трещин при критическом давлении 1 кбар. Кстати, ведь именно такая мощность рассеивающего слоя получается при анализе затухания амплитуд на лунных сейсмограммах.