Строение Луны - Игорь Галкин

И. Н. Галкин, кандидат физико-математических наук

В. В. Шварев, доктор технических наук

СТРОЕНИЕ ЛУНЫ

Введение

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.

Сейсмичность и скоростная структура Луны

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».