Главные черты геологии Луны
Введение
Луна, единственный спутник Земли, очень важный объект сравнительно - планетологических исследований, особенно благодаря своей уже довольно высокой степени изученности. Луна в сравнении с другими спутниками планет земной группы имеет весьма большие размеры и по массе всего лишь в 81 раз меньше Земли. Большинство других спутников составляют тысячные доли объема материнских планет. В связи с этим иногда Землю и Луну называют двойной планетой. Между тем, эти два планетных тела существенно отличаются по своему развитию. Луна уже более 1 млрд. лет является мертвой планетой - на ней не протекают эндогенные процессы; здесь отсутствует атмосфера, гидросфера и биосфера.
Луна обладает медленным осевым вращением (27,3 земных суток), температура ее поверхности колеблется от +130 °С на освещенной Солнцем поверхности до - 170 °С на противоположной. В настоящее время она имеет лишь очень слабое магнитное поле, хотя есть признаки, что оно было значительно сильнее в прошлом.
Особенности поверхностных образований планет, как и рельеф, во многом зависят от атмосферы и гидросферы. Наличие их у Земли, а также существование на ней и биосферы ставят ее в особое положение среди планет и обусловливают широкое развитие на поверхности (более 2/3 площади) осадочных пород. Луна лишена этих образований, зато огромные пространства здесь заняты магматическими породами и реголитом. В рельефе Луны выделяются возвышенные и пониженные участки, которые по аналогии с Землей называются континентами и морями. Первые занимают 84% поверхности Луны и сложены полнокристаллическими основными (с содержанием SiO2 от 52 до 45%) породами, резко обедненными по сравнению с земными летучими химическими элементами и соединениями (нет даже следов воды и углекислоты). Лунные материки испещрены ударными кратерами - следами падения крупных метеоритов, породы на их поверхности раздроблены (эти рыхлые продукты дробления называются реголитом) и содержат примесь метеоритного вещества - железа и родственных ему элементов. Предполагается, что наиболее интенсивная метеоритная бомбардировка имела место на Луне и других планетах Солнечной системы в период до 3,8 млрд. лет.
Лунные моря представляют равнины, сложенные покровами базальтов, сходных с земными, но также обедненных летучими компонентами. Возраст «морских» базальтов от 4,2 до 3,1 млрд. лет. К 2 млрд. лет до н. э. глубинная активность Луны практически затухла.
1. Общая характеристика Луны
Луна - единственный естественный спутник Земли. Из всех небесных тел Луна не только ближе других к Земле, но она и изучена лучше всех остальных космических объектов. На Луне побывали люди, там работали разные приборы, в том числе и сейсмографы. Сведения о Луне настолько обильны, что ей посвящено много книг. Луна была известна с доисторических времен. Это второй самый яркий объект в небе после Солнца. Поскольку Луна обращается по орбите вокруг Земли раз в месяц, угол между Землей, Луной и Солнцем изменяется; мы наблюдаем это явление как цикл Лунных фаз.
Благодаря ее размеру и составу Луну иногда относят к планетам земной группы наряду с Меркурием, Венерой, Землей и Марсом. Луна очень похожа на Меркурий, хотя и уступает ему в размерах и массе. Радиус Луны составляет 1738 км (¼ земного радиуса), масса в 81 раз меньше массы земного шара, ускорение силы тяжести примерно в 6 раз меньше земного. Тем не менее, по отношению к Земле Луна - очень крупный спутник и потому систему Земля - Луна нередко называют двойной планетой.
Впервые Луну посетил Советский космический корабль «Луна - 2» в 1959 году. Это единственное неземное тело, на котором побывал человек. Первая посадка произошла 20 июля 1969 года; последняя - в декабре 1972 года.
Гравитационные силы между Землей и Луной вызывают некоторые интересные эффекты. Наиболее очевидный из них - морские приливы и отливы. Гравитационное притяжение Луны более сильное на той стороне Земли, которая повернута к Луне, и более слабое на противоположной стороне. Поэтому поверхность Земли, и особенно океаны, вытягиваются по направлению к Луне.
Хотя Луна и вращается вокруг своей оси, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Дело в том, что Луна совершает один оборот вокруг своей оси за то же самое время (27.3 суток), что и один оборот вокруг Земли. А поскольку направление обоих вращений совпадает, противоположную ее сторону с Земли увидеть невозможно. Впервые астрономам удалось заглянуть на обратную сторону Луны в 1959 г., когда советская станция "Луна-3" пролетела над ней и сфотографировала невидимую с Земли часть ее поверхности (приложение 1).
Из-за небольшой силы тяжести Луна лишена воды и атмосферы, следовательно, не может быть на ней и ветра. Там постоянно безоблачное черное небо. Всё это обусловливает резкие температурные контрасты на ее поверхности. Температура на лунном экваторе изменяется в течение суток на 300 °С: в полдень равна +130°С, а через 14 - 14,75 наших суток, т. е. в полночь, достигает - 170 °С. В полярных областях температура всегда остается низкой. Почти столь же резки перепады температур на солнце и в тени. Ее поверхности беспрепятственно достигают разрушающие солнечные и космические лучи. Следовательно, современное выветривание на Луне сильно отличается от земного.
Лунная поверхность в очень малой степени подвержена изменениям. Так как на Луне нет ни воды, ни воздуха, ее поверхность не размывается и не выветривается. Эпоха активного выпадения метеоритов осталась далеко в прошлом: два миллиарда лет назад. Есть два типа лунной поверхности: морской и материковый. Морями называются темные участки видимого диска, материками - светлые (ПРИЛОЖЕНИЕ 2).
Во времена, когда наш спутник стал остывать после эпохи частично расплавленного состояния, внешние слои Луны образовали тонкую кору, которую могли пробивать крупные метеориты. Появлявшиеся при таких соударениях углубления (иногда в сотни и тысячи километров) заполняла лава, выходившая на поверхность сквозь разрушенные участки коры. Застывая, лава создавала относительно гладкий морской тип поверхности. Здесь меньше кратеров, отражательная способность (альбедо) морских участков не велика (лунные моря составляют приблизительно 16% всей поверхности Луны). Большая часть поверхности покрыта реголитом - смесью тонкой пыли и скалистых обломков, полученных из столкновений с метеорами. По непонятной причине лунные моря сконцентрированы на обращенной к Земле стороне.
Материковые участки более светлы, и они настолько изобилуют кратерами, что последние, порой, наслаиваются друг на друга. Ранее существовала гипотеза о вулканическом происхождении кратеров. Но сегодня верх одерживает метеоритная теория. Крупные метеориты, врезаясь в лунную поверхность, выбрасывали вверх огромное количество вещества, части которого могли вовсе преодолеть лунное притяжение. Выброшенные породы разлетались, порой, на десятки и сотни километров, образовывая так называемые лучи. В центре кратера обычно возникала горка, а сам кратер создавался отброшенным веществом, которое образовывало вал-окружность. Наиболее крупные из лунных кратеров имеют сотни километров в диаметре, самые высокие вершины возносятся вверх до 8 км. На Луне также найдены горы, расщелины. Эти виды рельефа возникли, по-видимому, при застывании Луны, когда лунная кора была подвижной. Вызывать эти движения могли как внутренние процессы, так и метеоритная бомбардировка. Известны многочисленные трещины и крупные сбросы.
На Луне сохранилось немало следов прошлой бурной вулканической деятельности. Иногда газы извергаются из лунных недр и сегодня. Одни из лунных кратеров имеют метеоритное происхождение, другие вулканическое. Но в целом Луна - мертвый мир, где любые изменения - большая редкость.
Луна имеет асимметричное концентрически-сферическое внутреннее строение и состоит из ядра, мантии и коры. Толщина коры Луны в среднем составляет 68 км, изменяясь от 0 км под лунным морем Crisium до 107 км в северной части кратера Королева на обратной стороне. Под корой до глубины 1000 км расположена мантия и силикатное, почти твердое ядро. Оно нагрето до температуры чуть выше 1000 °С, а потому из недр Луны наружу просачивается тепло, так что на глубине 40 км температура лунной коры достигает 300 °С. В отличие от мантии Земли мантия Луны только частично расплавленная. Любопытно, что центр масс Луны располагается примерно в 2 км от геометрического центра в направлении к Земле. На той стороне, которая повернута к Земле, кора более тонкая.
Анализ поверхностных пород Луны показал, что они похожи на земные породы типа базальтов. Правда, в них наблюдается избыток некоторых тяжелых металлов, например хрома и титана. Любопытны лунные масконы - области лунной коры с повышенной плотностью. Они характерны местными гравитационными аномалиями.
Большинство кратеров на обращенной к нам стороне названо по имени знаменитых людей в истории науки, таких как Коперник и Птолемей. Особенности ландшафта на обратной стороне имеют более современные названия типа Аполлон, Гагарин и Королев - в основном это русские названия, так как первые снимки были сделаны Советским кораблем «Луна-3». В дополнение к этим особенностям на обратной стороне Луны расположен огромный бассейн кратеров величиной 2250 км в диаметре и 12 км глубиной - это самый большой бассейн, появившийся в результате столкновения, в Солнечной системе, и Orientale в западной части видимой стороны (его можно видеть с Земли), который является отличным примером многокольцевого кратера. У Луны почти отсутствует магнитное поле (очень слабое) и, следовательно, магнитосфера. Однако по размерам Луна вполне могла бы считаться полноценной планетой, если бы она обращалась вокруг Солнца. Изучению внутреннего строения Луны сильно помогают редкие «лунотрясения», очаги которых располагаются на глубине от 100 до 1100 км. Все это доказывает, что тектоническая деятельность на Луне очень слаба, однако полностью не прекратилась. Есть факты, говорящие о том, что в прошлом Луна обладала магнитным полем и была вулканически и тектонически гораздо более активной. Однако жизни на Луне никогда не было.
Не имеющая ни атмосферы, ни магнитного поля, поверхность Луны подвержена
непосредственному воздействию солнечного ветра. В течение 4 миллиардов лет
водородные ионы из солнечного ветра внедрялись в реголит Луны. Таким образом,
образцы реголита, доставленные Аполлоном, оказались очень ценными для
исследования солнечного ветра. Этот лунный водород также может быть использован
когда-нибудь как ракетное топливо.
2. Особенности лунной поверхности
.1 Описание лунной поверхности
На Луне принято выделять области двух типов: светлые - материковые, занимающие 84% площади лунного шара, и темные - морские, составляющие 16%. Материки отличаются более высокой отражательной способностью, наличием значительных неровностей и множеством кратеров разных размеров и степени сохранности вала. Моря - относительно ровные области с меньшим количеством кратеров; они лежат ниже уровня материковой поверхности. Таким образом, моря темнее материков как из-за различия в составе пород, так и по причине иной структуры поверхности (моря глаже и поэтому слабее рассеивают свет). Например, Море Дождей расположено на 3 км ниже, а Море Влажности на 2 км ниже окружающей местности. Морские области распределены по поверхности весьма неравномерно: на видимом с Земли полушарии они занимают 31% площади, а на обратном - около 3%. В северном полушарии моря занимают вдвое большую площадь, чем в южном. Внутри морей можно также видеть более темные и более светлые участки. Например, окраинные части Моря Ясности выглядят темнее его центральной области. При низком положении Солнца в морях можно видеть невысокие протяженные формы рельефа шириной в несколько километров - складчатые жилы. Моря сложены базальтовыми лавами, и складчатые жилы обычно отмечают области наложения более поздних потоков на уже существовавшие лавовые излияния. Очевидно, что вблизи складчатых жил, толщина лавовых потоков может быть минимальной.
Названия морям дал итальянский астроном Джованни Риччоли (1598-1671), по зарисовкам которого Ф. Гримальди выгравировал карту в 1647 г. Посмотрев на карту, можно заметить, что названия морей распределены не случайно. В восточной части видимого полушария расположены Море Ясности, Море Спокойствия, Море Изобилия, Море Нектара, тогда как в западной - Океан Бурь, Море Дождей, Море Облаков, Море Влажности (ПРИЛОЖЕНИЕ 3). В середине XVII в. считали, что погода на Земле меняется в зависимости от фаз Луны. Как видно из названий морей, Луна в первой четверти, когда видна восточная часть диска, служит предвестником ясной погоды, а в последней четверти - ненастной.
Долины - отчетливо выраженные обособленные впадины шириной в несколько километров и протяженностью в десятки и сотни километров - встречаются на склонах обширных горных областей (например, Альпийская долина), а также в материковых районах (например, долина Рейта). Более узкие, длинные, но не обрывистые ложбины, сохраняющие на всем протяжении одинаковую ширину называют бороздами (например, борозды Сирсалиса). Они часто тянутся на сотни километров вне зависимости от рельефа поверхности. Обрывистые разломы называют трещинами. В морях иногда встречаются уступы - типичные сбросы; например, в Море Облаков известен уступ Прямая Стена.
Преобладающей формой рельефа Луны являются кратеры. Если вал кратера четкий, хорошо сохранившийся, то это признак относительной молодости, а кратеры с разрушенными валами - более старые. Крупные кратеры часто имеют на дне центральную горку и террасы на внутренних склонах, например, кратеры Коперник и Аристарх. У старых кратеров горки и террасы встречаются реже. Особую группу составляют кратеры с лучевыми системами, представляющими собой длинные светлые полосы, радиально исходящие от вала кратера. Лучи можно видеть не всегда, а лишь при определенных условиях освещения поверхности. Наиболее четко эти образования проявляются в полнолуние. При других фазах они менее заметны, а в областях, близких к терминатору, не наблюдаются вовсе. Лучи встречаются как у крупных кратеров, например, Тихо диаметром 87 км, так и у небольших, но обязательно молодых. Кратеров с лучевыми системами на Луне несколько десятков.
На обратной стороне Луны особое внимание привлекают очень крупные кольцевые структуры, диаметром более 300 км, названные бассейнами. Самые большие из них, такие как Море Восточное, Герцшпрунг, Аполлон, Королев, Море Москвы и другие имеют помимо внешнего вала еще и внутренний, диаметр которого, как правило, вдвое меньше внешнего. Иногда внутренние кольца сильно разрушены. Любопытно, что некоторые крупные бассейны обратной стороны Луны являются антиподами морей видимой стороны. Например, Королев - антипод Моря Изобилия, а Герцшпрунг - Моря Спокойствия (ПРИЛОЖЕНИЕ 4).
К северо-востоку от Моря Восточного радиально отходят гигантские цепочки кратеров, простирающиеся на расстояния до тысячи километров. Диаметр кратеров, входящих в эти цепочки, составляет в среднем 10-20 км. Три самые протяженные цепочки получили названия ГДЛ (Газодинамическая лаборатория), ГИРД (Группа изучения реактивного движения) и РНИИ (Реактивный научно-исследовательский институт). Эти три научные организации внесли основной вклад в развитие ракетостроения в нашей стране.
Кратеры, отдельные горные вершины (пики, мысы), а также гряды называют (посмертно) именами астрономов и выдающихся ученых других специальностей. Исключением стали 12 кратеров, названных в честь живущих космонавтов и астронавтов. Все предложенные наименования утверждает Международный астрономический союз. Общее правило планетной номенклатуры - не использовать имена политических и религиозных деятелей, полководцев и философов XIX и XX вв.
Карты Луны используют для решения важных научных и практических задач: восстанавливают историю лунной поверхности, планируют экспедиции на Луну.
2.2 Рельеф и поверхностные образования на Луне
В образовании форм лунного рельефа принимали участие как внутренние силы, так и внешние воздействия. Расчеты термической истории Луны показывают, что вскоре после ее образования недра были разогреты радиоактивным теплом и в значительной мере расплавлены, что привело к интенсивному вулканизму на поверхности. В результате образовались гигантские лавовые поля и некоторое количество вулканических кратеров, а также многочисленные трещины, уступы и другое. Вместе с этим на поверхность Луны на ранних этапах выпадало огромное количество метеоритов и астероидов - остатков протопланетного облака, при взрывах которых возникали кратеры - от микроскопических лунок до кольцевых структур поперечником во много десятков, а возможно и до нескольких сотен километров. Из-за отсутствия атмосферы и гидросферы значительная часть этих кратеров сохранилась до наших дней (ПРИЛОЖЕНИЕ 5). Сейчас метеориты выпадают на Луну гораздо реже; вулканизм также в основном прекратился, поскольку Луна израсходовала много тепловой энергии, а радиоактивные элементы были вынесены во внешние слои Луны. Об остаточном вулканизме свидетельствуют истечения углеродосодержащих газов в лунных кратерах, спектрограммы которых были впервые получены советским астрономом Н. А. Козыревым.