Освоение луны

(статья из журнала Наука и Техника, от декабря 1964 г.)

Луна — наша ближайшая космическая соседка. И именно ей, очевидно, предстоит быть первым небесным телом, на которое ступит человек (разумеется, это будет советский человек). Но прежде чем это свершится, очень важно заранее знать, что же ожидает космонавтов на Луне: какие породы образуют лунную поверхность, какова ее структура — скалистая или сыпучая, какова там температура и т. д.

В наши дни хорошо исследовано движение Луны вокруг Земли, а также лунный рельеф. Составлены подробные карты нашего естественного спутника (в масштабе 1:1 000 000), на которых нанесены горные гряды и высоты, многочисленные цирки и кратеры, равнины, названные морями, а также глубокие трещины и светлые лучи, радиально выходящие из некоторых кратеров, фотографии обратной стороны Луны, полученные советской автоматической межпланетной станцией, позволили советским ученым составить первый (и пока что единственный!) в мире лунный атлас и глобус. Но механико-физическое строение верхних слоев Луны, а также их химический состав до сих пор еще не полностью исследованы, хотя знание именно этих свойств поверхности Луны очень важно для успешной посадки межпланетных кораблей. Вот почему ученые прилагают все усилия для полного выяснения природы нашего спутника.

Но как же можно исследовать поверхность Луны, если там нет еще ни людей, ни лабораторий?

ВОЗМОЖНОСТЕЙ МНОГО

Некоторое представление о природе Луны дают уже визуальные наблюдения и фотографирование при помощи достаточно больших телескопов. Таким путем можно определить рельеф и различные изменения, происходящие на поверхности спутника Земли. Более точные сведения дают фотометрические, спектральные и поляриметрические исследования отраженного света Луны. Конечно, отраженный

свет свидетельствует только о самом верхнем слое Луны, скорее о микрорельефе поверхности (шероховатость, зернистость), чем о ее химическом составе. Однако и по отраженному свету можно судить об отражающем материале: ведь в обыденной жизни мы с первого же взгляда отличаем, например, стекло от куска дерева, медь от серебра, шелк от бархата. В этом нам помогают цвет, блеск, прозрачность и другие свойства данного вещества.

В настоящее время свойства лунной поверхности уже исследованы очень хорошо. Главные заслуги здесь принадлежат харьковским астрономам во главе с академиком Н. П. Барабашовым, а также ленинградским профессорам В. В. Шаронову и Н. Н. Сытинской и их ученикам. Большой вклад в это дело внесла и французская школа (А. Дольфус, Б. Лио).

Определяя оптические свойства поверхности Луны и сравнивая их с соответствующими величинами земных пород, ученые нашли, что лунная поверхность очень неровна, дырчата и

измельчена, не похожа ни на одну земную породу в таком состоянии.

На детальном анализе морфологии лунной поверхности и сравнении ее со строением Земли основываются географо геологические методы исследования. При изучении геологических процессов, происходящих на Луне, проводятся опыты по моделированию. Но, сопоставляя Землю и ее естественный спутник, приходится учитывать своеобразие последнего. Во-первых, масса Луны составляет только % часть массы земного шара, а тяготение на поверхности Луны в 6 раз меньше, чем на Земле. На Луне нет ни атмосферы, ни воды, ни растительного мира. Поэтому здесь полностью отсутствуют осадочные породы, играющие столь важную роль в земных геологических процессах. Кроме того, на Луне . атмосфера не препятствует проникновению метеоритов и космического излучения, а также не смягчает резких колебаний суточной температуры, достигающей + 270° С (от +120° С днем до -150° С ночью). Проведенные при помощи со ной Луны, изготовленной из материала, поглощающего в исследуемом диапазоне все излучение (абсолютно черное тело). Если температура и площадь этого диска, а также расстояние последнего до антенны радиотелескопа известны, то поток энергии от диска можно точно рассчитать. Чтобы исключить влияние радиоизлучения Земли и земной атмосферы, особенно сильное у горизонта, «искусственную Луну» подняли на высокую гору (в радиотелескопе она проектировалась высоко над горизонтом),. Величина диска была выбрана с таким расчетом, чтобы его угловой диаметр в радиотелескопе был равен диаметру естественной Луны.

Сопоставление эталонного радиоизлучения с излучением, принятым от Луны, а также температуры диска с радио температурой Луны показало, что плотность поверхности нашего спутника почти наполовину меньше плотности воды (« 0,5 г/см3); теплопроводность же лунных пород по крайней мере в 30 — 50 раз больше теплопроводности тонкой пыли в вакууме, но все же она в 50 — 70 раз меньше теплопроводности обычных земных пород. Кроме того, выяснилось, что суточные колебания температуры полностью затухают уже на глубине 1,5 — 2 метров. Температура на этой глубине все время остается постоянной и равна средней температуре поверхности (на экваторе — 40°С).

Луна покрыта «Лунитом»

Сравнивая теплопроводность, плотность, диэлектрическую постоянную и Другие величины различных земных пород и минералов с данными, сообщаемыми радиоизлучением Луны, найдено, что наилучшее соответствие дает твердое, но пористое вещество, по структуре подобное пемзе или шлаку.

Горьковские радиоастрономы провели в лабораторных условиях (в вакууме) большую работу по определению электрических параметров различных земных пород как в природном, так и в размельченном виде (по их радиоизлучению). Таким же образом сотрудники В. С. Троицкого исследовали каменные метеориты (хонд-риты) и 15 различных образцов тектитов — своеобразных естественных стекол, добытых в различных районах земного шара. Наилучшее соответствие с лунным веществом дают гранит, липарит, диорит.

Интересно отметить, что характер радиоизлучения всех 15 тектитов точно такой же, как у Луны. Это свидетельствует в пользу широко распространенной гипотезы о лунном происхождении этих тектитов.

После обобщения и критической оценки всех полученных данных В. С. Троицкий заключил, что породы верхнего слоя Луны содержат 60 — 65 процентов окиси кремния (кварца), 20—25 процентов окиси алюминия (корунда), а остальные 10 — 20 процентов составляют окислы калия, натрия, кальция, железа и магния. Как мы уже видели, эти смеси должны находиться в сильно пористом состоянии. Таким образом, материал лунной поверхности не похож на плотные земные породы, хотя химически и по кристаллической структуре, возможно, и соответствует им. По этой причине горьковские радиоастрономы предложили своеобразное вещество лунной поверхности назвать «лунитом».

Полученные результаты исследования свидетельствуют в пользу разработанной Н. Н. Сытинской гипотезы, согласно которой гранитные породы лунной поверхности были раздроблены метеорными ударами, осели в виде пыли и спеклись в хрустящую, пористую, непрочную массу, подобную       вулканическому шлаку.

Точный метод измерения радиоизлучения при помощи «искусственной Луны» показал, что на длинах волн от 1,6 до 35 см средняя радиотемпература Луны возрастает пропорционально длине волны. Это значит, что верхний покров Луны однороден, по крайней мере до глубины 20 метров. Отсюда следует, что «лунит» — это вещество твердое, не уплотняющееся под тяжестью вышележащего двадцатиметрового слоя. Таким образом, «лунит» не может быть в пылевом состоянии и, значит, представляет собой пористый пенообразный материал.

Поскольку разрешающая сила радиотелескопов пока еще мала, при помощи радиоастрономических наблюдений получены только так называемые «средние значения», относящиеся не к отдельным районам Луны, а к лунной поверхности в целом.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Известно, что многие минералы после облучения их ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами сами излучают видимый свет и инфракрасные лучи. Явление это, называемое люминесценцией, широко используется современной светотехникой. Из-за отсутствия защитной атмосферы поверхность Луны является открытой и для коротковолновой радиации Солнца, и для корпускулярных потоков, и для галактических космических лучей. В связи с этим чешский астроном Ф. Линк уже в 1946 году предвидел люминесцентное излучение лунных пород, однако подтвердить «документально» данную мысль удалось только в последние годы. Столь много времени ушло потому, что по сравнению с отраженным солнечным светом люминесценция лунной поверхности слишком слаба и ее очень трудно наблюдать. В 1956 году наличие люминесценции в спектре кратера Аристарха было спектроскопически доказано известным пулковским             астрономом

Н. А. Козыревым. Позднее это подтвердил и французский ученый Ж. Дюбуа. Теперь известно, что сильнее всего люминесцирует море Кризисов — темное овальное пятно недалеко от западного края лунного диска. Поверхность этого моря сияет зеленым и фиолетовым светом. Ярким красным светом люминесцирует кратер Региомонтана.

Цвет люминесцентного света зависит от химического состава вещества. Следовательно, наблюдения люминесценции лунной поверхности открывают новые возможности для исследования ее состава. Например, свет, излучаемый кратером Аристарха, напоминает люминесценцию некоторых разновидностей кварца.

В самое последнее время как в советской, так и в зарубежной научной литературе появилось много сообщений о наблюдениях люминесценции на Луне. Интересные данные об этом явлении получил в июне 1964 года пулковский астроном Ш. Дарчия. На высоте 3860 метров над уровнем моря (на Памире) ему удалось сфотографировать детали лунной поверхности в «пепельном свете», то есть на неосвещенной Солнцем части. Точные фотометрические измерения этих снимков показали, что некоторые области здесь были ярче, чем обычно. Объясняется это люминесценцией лунных пород под воздействием космических лучей или солнечного корпускулярного излучения.

Совсем недавно Н. Орлова, наблюдая в Пулкове Луну максутовским телескопом нового типа МТМ-500, получила новые сведения о лунной люминесценции. Эти наблюдения позволяют судить о распределении некоторых химических соединений на лунной поверхности.

В ночь с 1 на 2 ноября 1S63 года известный английский исследователь 3. Копал вместе с французским астрономом Т. Рекхемом получили на высокогорной обсерватории Пик-дю-Миди в Пиренеях уникальные фотографии Луны, на которых дважды зафиксировано усиленное свечение района кратера Кеплера в красном свете (около длины волны 6725 А)- Светящийся район занимал около 1/60 поверхности Луны и был приблизительно вдвое ярче остальной лунной поверхности в красном свете. Свечение этого района в десять раз превышало яркость любого ранее наблюдавшегося случая лунной люминесценции.

Занимаясь поисками возможных источников этого явления, ученые нашли, что 1 ноября 1963 года в одном из центров активности на Солнце дважды наблюдались небольшие вспышки, продолжавшиеся 15—20 минут. Эти вспышки следовали одна за другой с таким же интервалом (около двух часов), как и появление люминесценции в районе кратера Кеплера. Необычное явление на Луне произошло через 8,5 часа после вспышек на Солнце. Это значит, что люминесценция могла быть возбуждена              солнечными корпускулами.

Таким образом, исследования лунной люминесценции позволяют судить не только о природе пород на Луне, но и о процессах, происходящих на Солнце и в межпланетном пространстве.

Интересный эксперимент проведен английскими учеными К. Дерхемом и Дж. Джейком. Они подвергли каменный метеорит интенсивной протонной бомбардировке и обнаружили яркое красное свечение в сравнительно широком диапазоне волн (около 6700 А)-Нетрудно поэтому заключить, что красным светом могут люминесцировать те районы лунной поверхности, где находится метеоритное вещество. Естественно, что это вещество в большом количестве может находиться вблизи тех кратеров, которые образовались в результате падений метеоритов.

Взгляд из космического пространства

Уже дважды за свою историю человек посмотрел на Луну из космического пространства. Первый раз это произошло 4 октября 1959 года, когда советская автоматическая межпланетная станция сфотографировала невидимую с Земли обратную сторону Луны, а второй раз — 31 июля 1964 года, когда американский космический корабль «Рейнджер-7» передал на Землю телевизионные изображения видимого с Земли участка Луны. После шести неудачных запусков седьмая американская автоматическая космическая станция успешно выполнила свое задание. За 17 минут до столкновения «Рейнджера-7» с Луной, то есть на расстоянии приблизительно 2000 км, радиосигналом с Земли была включена установленная на космической станции телевизионная аппаратура, которая начала передавать на Землю изображения лунной поверхности. Передача продолжалась до тех пор, пока «Рейнджер-7» не ударился о поверхность Луны в районе моря Облаков.

Зачем же американцам понадобилось фотографировать видимую сторону Луны, казалось бы, и без того известную? Дело в том, что из-за неспокойствия земной атмосферы с Земли не удается увидеть на Луне детали поперечником меньше примерно 300 метров. Для благополучной же посадки космических кораблей   очень важно знать «тонкую» структуру лунной поверхности. Выяснение именно                этой структуры и было задачей «Рейнджера-7».

Детальная обработка 4316 полученных снимков займет, по мнению американских ученых, около трех лет. Однако один очень важный вывод можно сделать уже сейчас: полученные фотографии подтверждают вывод советских астрономов о том, что слой рыхлой пыли на Луне должен быть      очень тонким. Об этом свидетельствуют резко очерченные небольшие кратеры (диаметром всего в несколько метров), находящиеся на относительно ровном участке в море Облаков. Это значит, что толщина слоя пыли здесь не превышает нескольких сантиметров.

Можно надеяться, что тщательное исследование полученных фотографий даст ценные данные не только о строении лунной поверхности, но и о процессах ее образования.

Все исследования, о которых говорилось в этой статье, приближают то долгожданное время, когда человек освоит Луну.