Автор. Член-корреспондент Академии наук В.Л. Барсуков. (Впервые опубликовано в журнале Земля и Вселенная № 3 за 1980 год, электронная редакция и подбор фото - Козловский А.Н.)

Луна – далекая и близкая.

Луна – далекая и близкая. Для увеличения изображения нажать на него.

АТМОСФЕРА ЛУНЫ

В 80 раз меньшая, чем у Земли, масса Луны и малая величина гравитационного поля объясняют практически полное отсутствие у нее атмосферы. Содержание газов у поверхности Луны не превышает в ночное время 2х10⁵ частиц в кубическом сантиметре и увеличивается днем за счет дегазации грунта на два порядка. Из-за малой силы тяжести и высокой дневной температуры поверхности (+130°С) атомы легких газов (водород, гелий) покидают Луну. 100-метровый слой атмосферы очень малой плотности (что равноценно глубокому вакууму) существует благодаря постоянному притоку газов с солнечным ветром, который приносит на ее поверхность около 40 г/с водорода, 8 г/с гелия, 0,2 г/с кислорода и т. д.

Под действием солнечного ветра и ультрафиолетового солнечного излучения нейтральные атомы лунной атмосферы ионизуются, ускоряются в межпланетном и лунном поверхностном электрических полях и внедряются в поверхность Луны. Атмосфера Луны содержит около 1 кг водорода и 1 т ксенона.

Причина такого содержания ксенона — пока загадка, как, кстати, и в земной атмосфере. Чтобы представить себе, насколько мизерны эти величины, достаточно сказать, что при маневрах, посадке и взлете космических кораблей «Аполлон» на поверхность Луны было сброшено более 100 т выхлопных газов.

На Луне выделяются два основных типа геологических и геоморфологических образований — материки и моря. Материки — это светлые области с неровным рельефом, возвышающиеся на 1—2 км над прилегающими равнинами более темных лунных морей и занимающие около 85% поверхности. Поверхность материков испещрена множеством крупных кратеров— до десятков и сотен километров в диаметре, которые, в свою очередь, покрыты кратерами мелкого размера. Наиболее хорошо сохранившиеся кратеры имеют все признаки ударно-взрывного происхождения, они образовались при бомбардировке лунной поверхности метеоритами.

Лунные моря представляют собой равнины, заполненные застывшей базальтовой лавой. Они сосредоточены главным образом на обращенной к Земле стороне Луны и не характерны для обратной ее стороны (всего около 3% поверхности). Моря расположены в депрессиях материковой коры, происхождение которых проблематично, но по крайней мере часть из них связывается с падением на Луну крупных астероидальных тел. Поверхность лунных морей тоже покрыта метеоритными кратерами, но их здесь меньше и они более мелкие.

Практически вся поверхность Луны покрыта чехлом мелкообломочного материала — реголита. Это — смесь очень мелких обломков горных пород и породообразующих минералов, а также агглютинатов (остеклованных агрегатов частиц), возникающих при кратерообразующих процессах, стекла и грунтовых брекчий (сцементированных угловатых обломков пород). Доля метеоритного вещества в реголите не превышает 1 %. По имеющимся данным, мощность реголитового слоя в районах морей колеблется от 4 до 8 м, а в материковых районах от 4 до 12 м.

При периодической бомбардировке микрометеоритами частицы реголита перемещаются и перемешиваются. Оценки содержания в реголите химических элементов, полученные по орбитальным и лабораторным измерениям, приводят к заключению, что в точках отбора проб реголита около 50% вещества принесено с расстояния примерно 5 км и только 5% —с расстояния около 100 км. Столь ограниченный масштаб перемещения и перемешивания реголита делает его очень удобным объектом исследования.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЛУНЫ

Согласно сейсмическим данным, недра Луны, как и Земли, имеют зо-нально-оболочечное строение. При среднем радиусе Луны 1738 км толщина ее материковой коры на обращенной к Земле стороне около 48 км, а на обратной—77 км. Мощность «морских» базальтов, перекрывающих материковую кору, в разных местах различна и, вероятно, колеблется от 1,2 км (район Тавр—Литтров) до 15—20 км (Море Ясности).

Под корой до глубины 300 км располагается лунная верхняя мантия, характеризующаяся, как и на Земле, скоростями распространения продольных упругих волн 8,1 км/с, что на Земле соответствует ультраосновным горным породам (дуниты, лерцолиты, гарцбургиты и т. д.). Слой от 300 до 900 км глубины представляет собой среднюю мантию, затем идет нижняя мантия. На глубине 900— 1000 км скорость распространения поперечных волн заметно падает, что, вероятно, указывает на частичное плавление вещества в верхних областях нижней мантии Луны. Ядро Луны обнаруживается по сильному спаду скорости распространения продольных волн (до 4 км/с). Оно имеет около 350 км в диаметре и сложено либо железом, либо эвтектикой Fе FeS.

Длительное изучение сейсмических явлений на Луне показало, что лунотрясения происходят не часто. Их число не превышает 600—3000 в год, а суммарная энергия 10^¹³ эрг в год ничтожна по сравнению с энергией землетрясений, составляющей 10^²⁴ — 10^³⁴ эрг в год. У редких глубокофокусных лунотрясений фокус располагается на 600—900 км под поверхностью. Орбитальная регистрация взаимодействия Луны с потоком электрически заряженных частиц солнечного ветра, а также изучение ее магнитного поля позволили рассчитать изменение электропроводности лунных недр с глубиной. Сопоставляя эти данные с зависимостью электропроводности лунных пород от температуры и давления, удалось установить, что температура в недрах Луны сначала растет с глубиной очень быстро (от 0°С на поверхности до 830° С на 200-метровой глубине), а затем более медленно, достигая 1500° С на глубине 1000 км.

Величина остаточной намагниченности лунных пород указывает на то, что, возможно, 3—4 млрд. лет назад Луна имела магнитное поле напряженностью в несколько сотых эрстеда, которое впоследствии исчезло. Но пока недостаточно данных для окончательного суждения о величине древнего магнитного поля Луны, его происхождении и причинах исчезновения.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЛУНЫ

Долгое время обсуждались три основные гипотезы образования Луны. Согласно первой, Луна некогда отделилась от Земли, причем даже указывалось место отрыва — бассейн Тихого океана. Вторая гипотеза основывалась на том, что Луна образовалась самостоятельно и позднее была захвачена Землей. Формирование Луны в процессе конденсации ее из протопланетного облака составляло содержание третьей гипотезы. Согласно последней гипотезе, Луна образовалась одновременно с Землей (двойная планетная система Земля — Луна). Первые две гипотезы сейчас практически утратили свое значение, так как не подтверждаются фактическими данными. Третья же, наоборот, подкрепляется новыми наблюдениями.

Результаты геохимического исследования лунных образцов почти не оставляют сомнений, что Луна и Земля возникли одновременно около 4,6 млрд. лет назад и формировались в процессе аккумуляции твердых тел при низких или умеренных температурах.

Первый, или «материковый», этап истории Луны как самостоятельного тела проходил 4,6—3,8 млрд. лет назад. В. это время благодаря интенсивной бомбардировке Луны планетезималями, их гравитационному сжатию (аккреции) и нагреву поверхности солнечным ветром еще «молодого» Солнца внешний 100— 200-километровый слой Луны расплавился. С течением времени в нем начали кристаллизоваться различные минералы. Относительно легкие (плагиоклаз) всплывали к поверхности, тяжелые (оливин, ильменит) опускались на глубину—произошла дифференциация расплава. Около 4,4 млрд. лет назад поверхность Луны стала твердой, но в результате предшествующего разделения минералов в «кипящем» слое состав образовавшейся коры уже существенно отличался от исходного. Возникла «материковая» кора габбро-анортозитового состава, которая затем еще сотни миллионов лет подвергалась сильнейшей бомбардировке метеоритами разных размеров.

Около 4 млрд. лет назад интенсивность этой бомбардировки резко упала, и примерно в это же время на обращенной к Земле стороне Луны образовались крупные депрессии поверхности. 3,8—3,0 млрд. лет назад, когда в недрах Луны накопилось радиоактивное тепло, она прошла второй максимум прогревания, о чем свидетельствуют массовые излияния базальтов, затопившие депрессии поверхности и сформировавшие равнины лунных морей — «морской» этап.

Около 3,0 млрд. лет назад или несколько позднее наступил современный «послеморской» этап эволюции Луны, на котором глубинные магматические процессы уже заметным образом не проявлялись. Ведущими факторами преобразования ее поверхности стали относительно слабая метеоритная бомбардировка, солнечный ветер и космические лучи. Луна постепенно начинает покрываться рыхлым чехлом реголита. Под действием солнечного ветра в приповерхностных зонах образуется неокисляемое в земных условиях металлическое железо, титан и кремний, возникают космогенные изотопы химических элементов. Таковы основные этапы истории Луны.

ГЕОХИМИЯ ЛУННЫХ ПОРОД

Изучение лунного грунта, доставленного на Землю из разных районов Луны советскими автоматическими станциями «Луна-16, -20 и -24», а также американские исследования показали, что состав пород в морских и материковых районах Луны отличается коренным образом. Материковые районы слагаются габбро-норит-анортозитовым комплексом пород, глиноземистыми и так называемыми крип-базальтами с высоким содержанием щелочей, редкоземельных элементов и фосфора. Морские породы представлены оливиновыми, глиноземистыми и титанистыми (до 12% содержания титана) базальтами с различным содержанием щелочей в каждой из этих групп.

После математической обработки данных о химическом составе магматических лунных пород удалось выделить шесть основных типов пород, залегающих на поверхности Луны, определить в каждом типе пределы вариаций составов и наметить закономерности последовательного изменения их состава в процессе дифференциации. Все это дало количественную основу для разработки петрологических моделей формирования лунной коры. К настоящему времени описано более 50 минералов, содержащихся в лунных породах, и около 40 еще недостаточно охарактеризованных минеральных фаз, которые нуждаются в дополнительном изучении и более точной диагностике. Ведущее место в лунных породах как по числу минеральных видов, так и по распространенности принадлежит силикатам и окислам. В качестве акцессорных (сопутствующих) минералов часто встречаются фосфаты, сульфиды и самородные элементы. Обнаружены также карбиды и фосфиды. (Заметим, что в земной коре известно более 2000 минералов.)

Столь ограниченное число минералов в лунных породах связано с тем, что на Луне практически нет воды, летучих компонентов и кислорода атмосферы, а это обуславливает безводный и восстановительный характер минералообразования. Известен только один лунный минерал—акаганеит, который содержит водород и трехвалентное железо.

Самые первые исследования лунного материала привели ученых к выводу об общей первичной обедненности Луны железом и летучими компонентами по сравнению с Землей. Однако последующие исследования, подтвердив первый из этих выводов, поставили под сомнение второй. В лунных породах уже обнаружены карбонаты, сульфаты и хлориды. Некоторые данные свидетельствуют о возможном проявлении на Луне фумарольной деятельности (выходы на поверхность струй горячего вулканического газа и пара). Характерной чертой лунных пород оказалось наличие в них огромного числа бывших газовых полостей, на стенках которых образовывались хорошо ограниченные кристаллы (возникновение их трудно себе представить без участия газовой фазы). Содержание летучих компонентов (F, Cl, S) в глубинных морских базальтах оказалось значительно выше, чем в породах материковой коры. Все это говорит о том, что обедненность лунных пород водой и летучими компонентами может оказаться вторичной, связанной с различными условиями проявления магматизма (глубокий вакуум и диссипация газов на Луне и отсутствие таковых на Земле), а не с различием их первичного состава.

ЗАЧЕМ ИЗУЧАЮТ ЛУННЫЕ ПОРОДЫ?

Накопленные к настоящему времени материалы сравнительно-плането-логических исследований говорят о том, что ранние стадии развития всех планетных тел земного типа были принципиально близки. Другими словами, раннюю историю Луны и планетных тел с незавершенным характером эволюции можно использовать в качестве аналога для построения модели ранней эволюции Земли. Ведь изучаемый геологами период развития Земли — фанерозой (от кембрия до наших дней) охватывает всего 1,6 из 4,6 млрд. лет жизни Земли. Весь же предшествующий докембрийский период известен несравненно хуже. Так как неоднократное наложение последующих процессов магматизма, метаморфизма и метасоматоза (замещение одной минеральной ассоциации другой ассоциацией с изменением состава) на сформированные в это время породы настолько затушевало их первичную природу, что ее выявление порой становится просто невозможным.

Интерес к этому самому далекому периоду жизни нашей планеты вполне понятен, ибо именно он предопределил различия в геологической истории разных участков земной коры, в проявлении на ней магматизма и металлогении. Нельзя забывать, что образование более 70% всех полезных ископаемых на Земле связано с докембрийским периодом ее жизни.

Луна имеет тот же возраст, что и Земля, но ее развитие завершилось около 3 млрд. лет назад, и на Луне мы имеем дело как бы с «законсервированной» 1,5—2 млрд. лет назад ранней историей планетного тела, фактически не затушеванной наложением последующих процессов. Мы уже сейчас видим аналогии в составе лунных и земных габбро-анортозитовых комплексов, слагающих первичную кору. Есть также аналогии в составе лунных высокотитанистых базальтов и высокотитанистых земных докембрийских феррогаббро и ферробазальтов.

Мы уже сейчас знаем, что базальтоиды архея (древнего докембрия) отличаются от базальтоидов всего последующего фэнерозоя низкой степенью окисления железа и преобладанием МgО над суммой окислов железа, то есть как раз теми особенностями состава, которые характерны для лунных базальтоидов. А ведь именно эти особенности обуславливают широкое развитие на Луне ликвационного отделения (возникновение двух несмешивающихся расплавов) гранитоидных расплавов от базальтов и указывают на совершенно иной механизм их формирования в ранние стадии образования коры, чем изучаемый нами в фанерозое на Земле. Сейчас мы находимся лишь в самом начале этого интереснейшего и, пожалуй, самого продуктивного пути познания ранних этапов эволюции нашей планеты.

Выявление определенной этапности в истории формирования лунной коры и ее общность с планетами земного типа невольно поставило перед нами ряд новых вопросов, относящихся к ранним этапам жизни Земли и истории формирования земной коры. Возьмем хотя бы проблему энергетики геологических процессов. Нас теперь не может не волновать вопрос о причинах разной продолжительности активной геологической жизни планетных тел Солнечной системы. Почему она прекратилась на Луне 3 млрд. лет назад, а на Земле продолжается до сих пор? Почему и когда она прекратилась на Марсе и Меркурии? Продолжается ли она на Венере?

Сейчас становится все ясней, что тепло, выделившееся при радиоактивном распаде элементов в недрах планетных тел, отнюдь не единственный источник внутренней энергии планет, что, вероятно, на них действуют источники энергии разной природы, последовательно сменяющие друг друга. Луна нам определенно указывает на то, что первым источником энергии глубинных, магматических процессов на планетах земного типа была энергия аккреции, хотя масштабность проявления этого источника на разных планетах могла быть различной. На смену ему пришла энергия радиоактивного распада.

Но выделение ее на планетных телах земного типа, пройдя через максимум, сократилось к настоящему времени в 5 раз, что должно приводить к затуханию активной геологической жизни, как это, вероятно, и было на Луне или Меркурии. Но тогда почему же на Земле до сих пор продолжаются активные геологические процессы? Видимо, объяснить это можно лишь тем, что на Земле на смену радиоактивному источнику тепла пришел какой-то новый источник энергии, который не возник на Луне и Меркурии.

Теоретические расчеты показывают, что на планетах земного типа кроме энергии радиоактивного распада может существовать энергия химических реакций на границе ядра и мантии (восстановление кремния и растворение его в железоникелевом ядре). Необходимые для этого температура и давление в недрах свойственны только Земле и Венере и не могут быть достигнуты на Луне и Меркурии. Марс занимает промежуточное положение.

Использование Луны как модели для изучения ранних этапов жизни Земли вновь поставило вопрос о возможном габбро-анортозитовом характере первичной земной коры в докембрийских ядрах континентов, о роли процессов ее образования в формировании первичной гидросферы и атмосферы, о горизонтальной и вертикальной неоднородности состава верхней мантии Земли под участками коры с различной историей. Любая информация о внеземных объектах для нас — геологов и геохимиков — имеет не только научное значение, но и служит действенным средством для расшифровки тех страниц истории Земли, которые мы по тем или иным причинам не можем прочесть, пользуясь только земным материалом.

Нельзя не согласиться со словами американского астронавта Г. Г. Шмидта — первого геолога, проводившего исследования на лунной поверхности; «Луна представляет собой испещренное кратерами и запыленное окно в изучение проблем происхождения и эволюции Земли».

Сopyright 2002-2022 © Сайт "Галактика" • Проект "Астрономическая энциклопедия" • Идея, дизайн, хостинг, веб-мастер сайта - Кременчуцкий Александр, Москва.