Дипломная (вкр): Главные черты геологии Луны

5.4 Гипотеза захвата

Вращение Луны вокруг Земли вызывает приливные явления на Земле, вследствие чего происходит диссипация энергии, главным образом в мелких морях. В результате этого некоторое количество движения передается Луне. Вращение Земли замедляется, а увеличившийся момент количества движения Луны требует, чтобы она отдалялась от Земли. Астрономическими наблюдениями установлена скорость, с которой замедляется в настоящее время вращение Земли и отдаляется Луна (примерно на 5 см в год).

Классические исследования приливной эволюции системы Земля - Луна принадлежит Джорджу Дарвину, который рассчитал положение лунной орбиты в прошлом. Он показал, что Луна должна была быть ближе к Земле в прошлом, и заключил, что Луна изначально вращалась вокруг Солнца по своей собственной орбите и затем была "захвачена" земным притяжением.

Ещё одним привлекательным моментом гипотезы захвата было очень короткое время приливной эволюции, согласно которой Луна находилась очень близко к Земле всего лишь 2 млрд. лет назад.

По-видимому, существует общее согласие в том, что захват, по сути, исключительно маловероятное явление, даже если предположить наиболее благоприятную конфигурацию первоначальной орбиты Луны. Для этого Луна должна была бы находиться на орбите, очень близкой к земной, так, чтобы скорость взаимного приближения была очень низкой. В случае более отдаленного происхождения Луны, например, на орбите, простирающейся за пределы орбит Марса или Венеры, скорость сближения становится неприемлемо высокой, а вероятность захвата астрономически низкой.

Вследствие сильного разогрева Земли и больших приливных деформаций, которые должны были сопровождать столь значительное приближение Луны к Земле 2 млрд. лет назад, на Земле должна была сильно измениться периодичность приливных явлений, и предположение о постоянстве приливной диссипации в ее недрах должно быть неверным.

Согласно гипотезе захвата, Луна должна была вначале двигаться по гелиоцентрической орбите, подобной орбите Земли, и таким образом формироваться в зоне «питающей» аккрецию Земли. Значит, эта гипотеза не может объяснить недостаток железа на Луне или любое другое своеобразие состава Луны, установленное при выполнении программы КА «Аполлон». Если к этим серьезным недостаткам гипотезы добавить очень малую вероятность предполагаемого механизма по динамическим соображениям, то гипотеза происхождения Луны путем захвата (как целого планетного тела) представляется очень и очень слабой.

"Гипотезы, согласно которым Земля 'захватила в плен' уже сформировавшуюся Луну, больше не рассматриваются всерьез. Во-первых, они сталкиваются с серьезнейшими динамическими проблемами, во-вторых - не объясняют экзотическую геохимию Луны" (Gold, 1975, p.26).

Трудно даже представить, каким образом скорость движения Луны могла уменьшится настолько, чтобы "захват" ее Землею стал возможен. Но даже если бы ученым и удалось открыть этот механизм, главный вопрос - как образовалась Луна до захвата - оставался бы открытым.

В течение всего времени аккреции должен был существовать строгий баланс между скоростями изменения гравитационной и центробежной сил. Несомненно, наиболее вероятным результатом этого процесса является столкновение двух тел или отрыв одного от другого. Этот вариант гипотезы двойной планеты тоже маловероятен.

Идея эта, однако, встречает на своем пути множество непреодолимых трудностей: в экспериментальных условиях силикатные частицы при столкновении почти всегда - даже на малых скоростях - имеют тенденцию к распаду на более мелкие фрагменты, а вовсе не к сращиванию. Нетрудно убедиться, что процесс конденсации, способный вовлечь достаточно большое количество вещества, должен был начаться с объекта, равного Луне по размеру. Конечно же, такой процесс никак не может объяснить происхождение самой Луны!

Более правдоподобный вариант этой гипотезы разработала Рускол. При аккреции Земли из планетезималей, находящихся на гелиоцентрических орбитах, существенное их количество подвергалось неупругим столкновениям вблизи Земли и перешло на геоцентрические орбиты. Целый рой геоцентрических планетезималей превратился в околоземное кольцо из вещества, по массе равного 0,01-0,1 массы Земли. Кольцо сохраняло дисперсное состояние из-за соударений с поступающими на Землю планетезималями, что сопровождалось дроблением планетезималей. Когда поток планетезималей стал меньше некоторого критического значения, кольцо быстро ско-агулировало и образовалась Луна.

Следует отметить, что образовавшаяся таким образом Луна вращалась, по-видимому, первоначально в плоскости земного экватора (как и в случае образования Луны путем отделения от земной мантии). Однако расчеты, основанные на приливном взаимодействии, показали, что орбита Луны должна была быть существенно наклонена к земному экватору в период, когда Луна была на расстоянии менее 10 земных радиусов, что часто приводится как возражение гипотезам коагуляции и отделения. Однако, можно привести возражения, так как этот вывод следует из предположения, что эволюция Земли - Луны была по своей природе исключительно эволюцией двух тел. Наклон орбиты Луны мог быть вызван различными факторами, например, падением на Луну или Землю после завершения их формирования одной или более крупных планетезималей.

Основной недостаток гипотез двойной планеты и коагуляции состоит в невозможности объяснить, почему при образовании Луны и Земли из единого облака, состоящего из частиц силикатов и железа, Луна оказалась так сильно обеднена металлическим железом. Физические процессы, используемые до сих пор для объяснения, гипотетичны и носят качественный характер. "Ни одна из теорий происхождения Луны не имеет преимущества перед остальными. Проблема в том, что у нас слишком много предположений и слишком мало фактов. Все это происходило настолько давно, что ни одну из гипотез невозможно проверить". (Gold, 1975)

5.6 Новая теория

Не так давно возникла четвёртая теория, которая и принята сейчас как наиболее правдоподобная. Эта гипотеза гигантского столкновения. Основная идея состоит в том, что, когда планеты, которые мы видим теперь, только ещё формировались, некое небесное тело величиной с Марс с силой врезалось в молодую Землю под скользящим углом. При этом более легкие вещества наружных слоёв Земли должны были бы оторваться от неё и разлететься в пространстве, образовав вокруг Земли кольцо из обломков, в то время как ядро Земли, состоящее из железа, сохранилось бы в целости. В конце концов, это кольцо из обломков слиплось, образовав Луну.

Теория гигантского столкновения объясняет, почему Земля содержит большое количество железа, а на Луне его почти нет. Кроме того, из вещества, которое должно было превратиться в Луну, в результате этого столкновения выделилось много различных газов - в частности кислород.

5.7 Обобщение

До настоящего времени еще не существует общего единого мнения о происхождении Луны. Возможно, что наиболее вероятной теорией, опирающейся на анализ динамики системы Земля - Луна, является некоторый вариант гипотезы Рускол о двойной планете и коагуляции, однако, перед ней стоят неразрешимые геохимические проблемы. То же относится к гипотезам захвата (с разрушением или захвата целой Луны). Кроме того, последняя гипотеза совершенно невероятна по динамическим соображениям.

Главное доказательство гипотезы о происхождении Луны из мантии Земли, которое опирается на интерпретацию геохимии сидерофильных и летучих элементов, было опубликовано не так давно, поэтому ученые, придерживающиеся другого мнения, не располагали еще временем для критической оценки предлагаемой гипотезы.

Тем не менее, здесь приведены некоторые доказательства. Можно полагать, что между предлагаемой гипотезой происхождения Луны и гипотезой дрейфа континентов, появившейся в середине 50-х годов, существует некоторая аналогия. В указанные годы на основе палеомагнитных данных, было показано, что в прошлом континенты перемещались один относительно другого на тысячи километров по сравнению с их положением в настоящее время. Эти данные и интерпретация их отвергались многими учеными, специалистами по Земле, в первую очередь из-за невозможности представить себе механизм, вызывающий дрейф континентов. В течение следующих десяти лет появились новые способы доказательств, возникли новые концепции, и теория тектоники плит, которая объясняет и специфический механизм смещения континентов, оказалась принятой практически всеми.

В случае Луны геохимические данные однозначно требуют, чтобы Луна тем или иным способом произошла из мантии Земли после формирования ядра. Неясным остается вопрос о механизме образования Луны, несмотря на успехи в понимании явлений, сопровождающих падения крупных планетезималей в земную мантию, что дает некоторые основания для оптимизма. По крайней мере, в настоящее время вопрос о механизме не выглядит столь трудноразрешимым, как казался большинству ученых - специалистов в области наук о Земле в 1956 году вопрос о дрейфе континентов.

Привлекательной чертой предлагаемой гипотезы происхождения Луны является то, что ее можно в принципе проверить и оценить с помощью новых данных, используя современные научные методы и оборудование.

6. Исследование Луны

Первым человеком, посмотревшим на Луну в телескоп, был Галилей. Ему же, соответственно, принадлежит и открытие лунных гор и кратеров.

Вполне естественно, что Луна, как ближайшее к Земле небесное тело, стала первым объектом, к которому направились космические аппараты.

Луна начала изучаться автоматическими станциями еще до появления человека в космосе. 4-го октября 1959-го года советская автоматическая станция "Луна 3" впервые сфотографировала обратную сторону Луны, на которой почти не оказалось морей. Советская же станция "Луна 9" 31-го января 1966-го года первой совершила удачную мягкую посадку на Луну в Океане Бурь, западнее кратеров Рейнер и Марат. Были произведены снимки Луны с разных высот и круговая панорама на самой поверхности. "Луна 10" первой стала искусственным спутником Луны 3 апреля 1966-го года, оставаясь им в течение 57-ми дней. Другая советская станция "Луна 16 "первой доставила образцы лунного грунта на Землю 24-го сентября 1970-го года. Станцией "Луна 17", запущенной 10-го ноября 1970-го года, на Луну был доставлен самоходный аппарат "Луноход 1", представлявший собой комплексную лабораторию. Аппарат проделал по поверхности спутника Земли путь длиною 10 540 метров. "Луноход 2" был доставлен 16-го января 1973-го года станцией "Луна 21". По восточному краю Моря Ясности самоходный аппарат прошел маршрут, протяженностью 37 км. Последней "Луной" была "Луна 24", в августе 1976-го года доставившая на Землю двухметровую колонку лунного грунта. 4 отечественных станции типа "Зонд" проводили разнообразные исследования в окололунном пространстве и возвращались на Землю.

Американцы отправили к Луне около 30 аппаратов. 4 первых "Пионера" неизменно друг за другом в августе-декабре 1958-го года отклонялись от расчетных траекторий и не выполняли поставленных задач. С 1962-го по 1965-й годы к Луне были направлены семь аппаратов "Рейнджер", три из которых достигли-таки Луны и передали фотоснимки поверхности. С 1966-го по 1968-й годы на орбиту вокруг нашего естественного спутника были выведены пять станций "Лунар-Орбитер" и две станции "Эксплорер". Для посадки на Луну проводились в то же время запуски семи аппаратов "Сервейр". Кроме того, были запущены 17 "Аполлонов", 6 из которых доставили на Луну астронавтов, проведших там уникальные исследования. Первым человеком на Луне стал Нил Армстронг, командир "Аполлона 11". После 74-го года изучение Луны почти прекратилось. В 1994-м, однако, американский аппарат "Климентина" возобновил исследования нашего спутника, сделав, в том числе, около 3 млн. фотографий и предположительно открыл на Луне воду.

Заключение

С самого начала цивилизации происхождение Земли и Луны было предметом постоянного теоретического и практического исследований. Этот вопрос относится к наиболее дискуссионным научным проблемам, охватывая различные области науки, привлекая внимание философов, астрономов, математиков, геологов, химиков и физиков. Появилось так много разнообразной литературы, что отдельные лица не в состоянии её полностью охватить. Поэтому любой человек, который пытается синтезировать материал в этой области знаний, неизбежно оказывается ограниченным рамками той дисциплины, в которой он работает. Большинство астрономических явлений, прежде всего, определяется гравитационными и магнитными полями, а также ядерными взаимодействиями, но формирование Солнечной системы происходило при таком режиме давления и температуры, при котором химические свойства вещества, по меньшей мере, так же важны, как гравитационные и магнитные поля.

Метеориты имеют большое значение для получения данных о химических условиях в первоначальной Солнечной туманности, о процессах химического фракционирования, которые имели место во время формирования планет земной группы. Многочисленные детальные физическое, химические и минералогические исследования метеоритов вскрыли очевидность событий, происходивших в Солнечной системе во время и вскоре после её формирования, около 4,5 млрд. лет назад.

Список использованной литературы

1. Зигель Ф.Ю. Путешествие по недрам планет. - М.: Недра, 1988. - 220 с.

. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли, Луны и планет. М., «Знание», 1973. 64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Космонавтика. Астрономия» 2 ).

. Павлинов В.Н., Соколовский А.К. Структурная геология и геологическое картирование с основами геотектоники. Основы общей геотектоники и методы геологического картирования: Учеб. Для вузов. - М.: Недра, 1990. - 318 с.

. Рингвуд А.Е. Происхождение Земли и Луны: пер. с англ. - М.: Недра, 1982.293 стр. - Пер. изд.: США, 1979.

. Якушова А.Ф., Хаин В.Е., Славин В.И. Общая геология. - М.: Изд - во МГУ, 1988. - 448с.

. Журнал «Природа», 2004, №3, Академиздатцентр «Наука» РАН

Приложение 1

Фотография, сделанная одной из станций слежения Сети изучения дальнего космоса (DCN)

Рис.

Приложение 2

Таблица. Названия лунных поверхностей

Приложение 3

Таблица. Названия морей, заливов, озёр и болот на видимой стороне Луны

Приложение 4

Таблица. Формы рельефа, встречающиеся на Луне