Химия лунного грунта - Сергей Викторов

С. В. ВИКТОРОВ,

В. И. ЧЕСНОКОВ,

кандидаты физико-математических наук

ХИМИЯ ЛУННОГО ГРУНТА

ВВЕДЕНИЕ

Что собой представляет Луна? Этот вопрос с древнейших времен волновал человека. Однако в течение длительного времени ряд причин, в том числе и различные суеверия, связанные с Луной, мешали научному подходу к ее изучению. Широкие и разносторонние научные исследования Луны — ближайшего к нам небесного тела — начались сравнительно недавно. Истина давалась не сразу — каждое открытие порождало сразу же много новых вопросов.

Что касается размеров Луны, ее массы, средней плотности и ряда других параметров, то они, как оказалось, довольно точно определяются методами небесной механики. Методы радиоастрономии дают возможность оценить теплопроводность и плотность поверхностного слоя Луны. Однако химический состав вещества, слагающего лунную поверхность, удалось исследовать лишь в последние годы.

Существует целый ряд непрямых (неконтактных) методов исследования химического состава небесных тел. Одним из них является метод спектрального анализа, широко применяющийся в астрофизике. Свет, идущий к нам от Солнца и далеких звезд, несет богатую информацию о составе поверхностных слоев этих небесных тел и происходящих в них процессах. Однако этот весьма чувствительный метод астрофизики не может быть использован для исследования состава лунного грунта, поскольку Луна светит лишь отраженным от нее солнечным светом. Поэтому исследования химического состава лунного грунта стали возможными только в космическую эпоху, когда началось изучение Луны с помощью научных приборов, доставляемых автоматическими и пилотируемыми космическими аппаратами как на лунную поверхность, так и на орбиту ее искусственного спутника.

В данной брошюре будет рассказано о ядерно-физических методах исследования химического состава лунного грунта, используемых при работе космических аппаратов, а также о результатах исследования лунного грунта, полученных как с помощью этих, так и других методов. Но вначале вспомним, что знали о Луне в «докосмическую» эпоху и до непосредственных измерений на ее поверхности.

Видимая с Земли невооруженным глазом поверхность Луны уже в IV в. до н. э. навела ученых Древней Греции на мысль, что там есть горы и равнины. Первая из дошедших до нас научных работ о Луне относится к I в. н. э. Но естественно, что сведения о Луне, полученные лишь путем ее наблюдений невооруженным глазом, многого дать не могли.

Новый период в изучении Луны начался в XVII в. с изобретением телескопа. В 1610 г. Галилей, наблюдая Луну в телескоп, увидел на ее поверхности горы и «моря». «Морями» он назвал обширные темные области, которые показались ему большими водными бассейнами. С тех пор вот уже более трех столетий ведется изучение Луны с помощью оптических инструментов. Составляются все более и более подробные карты Луны. В конце XIX в. были получены первые фотографии Луны, и вскоре был выпущен первый ее фотографический атлас.

В первой половине XX в. началось изучение Луны астрофизическими методами, с помощью которых были выполнены обширные исследования отдельных образований лунного рельефа и других характеристик лунной поверхности. В середине нашего столетия пришел черед радиоастрономических методов. К этому времени были созданы мощные радиотелескопы направленного действия, обладающие высокой чувствительностью. Первая радиолокация Луны была осуществлена в 1946 г., и с тех пор радиолокационные исследования нашего естественного спутника проводились неоднократно. С их помощью была получена ценная информация о движении Луны и ее размерах, удалось определить среднее расстояние до Луны с точностью до нескольких сотен метров, уточнить ее массу и среднюю плотность.

В исследовании лунной поверхности с помощью наземных средств огромное значение отводится радиофизическим измерениям, большой цикл которых был осуществлен в СССР под руководством В. С. Троицкого. Полученные в результате радиофизических измерений данные позволили сделать вывод, что самый верхний слой лунного грунта является пористым или распыленным веществом с весьма низкой теплопроводностью. Были сделаны оценки плотности и температуры лунного грунта, теплового потока, идущего из недр Луны к ее поверхности, и ряда других параметров.

Эпоха изучения Луны космическими средствами началась 2 января 1959 г., когда в Советском Союзе был произведен запуск станции «Луна-1» с массой 360 кг — первого космического аппарата, отправленного в сторону Луны. Сблизившись с Луной 4 января, станция прошла от нее на расстоянии около 6000 км и стала первым в мире искусственным спутником Солнца. С помощью научной аппаратуры были получены данные о радиационной обстановке и газовой составляющей межпланетного вещества в окололунном пространстве.

Исследования, начатые «Луной-1», в этом же году были продолжены станциями «Луна-2 и -3». Научная аппаратура «Луны-2» — станции, впервые в мире достигшей поверхности другого небесного тела, — позволила установить, что на Луне отсутствует сколько-нибудь заметное магнитное поле, нет и радиационных поясов. С помощью аппаратуры, установленной на «Луне-3», были получены первые снимки обратной стороны Луны, не видимой с Земли. Сделанные на расстоянии 60–70 тыс. км от лунной поверхности, они дали первые представления о большей части этой стороны Луны.

Изучение Луны впоследствии было продолжено с помощью советских автоматических станций серии «Зонд» и «Луна», а также американских — серии «Пионер» и «Рейнджер». В результате проведенных научных исследований была получена ценная научная информация, в частности, она позволила советским ученым составить первую полную карту и первый глобус Луны. Однако вопросы о природе и прочности лунного грунта, о возможности мягкой посадки на ее поверхность и ряд других оставались открытыми.

Следующий этап исследования Луны начался в феврале 1966 г., когда была решена одна из важнейших проблем практической космонавтики — осуществлена мягкая посадка, на поверхность другого небесного тела. Станция «Луна-9», совершившая впервые в мире мягкую посадку на Луну, передала на Землю уникальные панорамы лунного ландшафта в районе посадки, а также произвела измерения интенсивности радиации, обусловленной воздействием космических лучей и излучением лунного грунта. Продолжительность активного существования станции на поверхности Луны составила 75 ч.

В декабре этого же года примерно в 400 км от места посадки «Луны-9» совершила мягкую посадку станция «Луна-13». С помощью аппаратуры «Луны-13» были проведены исследования физико-механических свойств лунного грунта. Кроме того, измерялся тепловой поток и корпускулярное излучение вблизи лунной поверхности.

В июне 1966 г. в США была запущена станция «Сервейер-1», также осуществившая мягкую посадку на поверхность Луны, а затем и ряд других станций этой серии, продолживших изучение лунной поверхности. Три последних аппарата этой серии («Сервейер-5, -6 и -7») имели в составе научной аппаратуры прибор для определения содержания ряда химических элементов в веществе грунта поверхности Луны. Этим было положено начало измерению химического состава лунного грунта непосредственно на поверхности Луны. Но прежде чем перейти к изложению методов измерений и полученных с их помощью результатов, кратко остановимся на существовавших тогда гипотезах о строении и составе лунной поверхности.

ГИПОТЕЗЫ ОБ ОБРАЗОВАНИИ, СТРОЕНИИ И СОСТАВЕ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИЯ

Является ли лунная поверхность твердой или предмет, помещенный на нее, будет проваливаться в многометровом слое пыли? Схож ли химический состав поверхности Луны с составом Земли, в котором преобладают окислы кремния, алюминия, магния, калия, кальция и железа? Какие вообще химические элементы и их соединения могут встретиться на Луне? Эти и другие чрезвычайно волновавшие ученых вопросы долгое время не получали однозначных ответов. Однако на основе наземных оптических, инфракрасных и радиолокационных измерений был выдвинут ряд гипотез относительно химического состава и физико-механических свойств слагающего лунную поверхность вещества и длительного процесса формирования лунного рельефа.

Большое распространение, например, получила гипотеза, в которой учитывался тот факт, что у Луны нет атмосферы, а следовательно, на ней отсутствуют процессы выветривания. Основываясь на этом, многие ученые (в частности, советские ученые А. В… Хабаков и Н. П. Барабашов) предполагали, что наблюдаемая нами поверхность Луны представляет собой совершенно свежую, ничем не покрытую и ничем не измененную поверхность тех магматических пород, из которых образовались верхние слои лунной коры. Развивая далее эту гипотезу, ученые основывались на данных геохимии и, в частности, приходили к заключению, что темные участки лунной поверхности («моря») сложены породами, бедными кремнием (например, базальтами), а светлые участки («материки») образованы породами кислого состава.[1]