Химия лунного грунта

ГИПОТЕЗЫ ОБ ОБРАЗОВАНИИ, СТРОЕНИИ И СОСТАВЕ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИЯ

Является ли лунная поверхность твердой или предмет, помещенный на нее, будет проваливаться в многометровом слое пыли? Схож ли химический состав поверхности Луны с составом Земли, в котором преобладают окислы кремния, алюминия, магния, калия, кальция и железа? Какие вообще химические элементы и их соединения могут встретиться на Луне? Эти и другие чрезвычайно волновавшие ученых вопросы долгое время не получали однозначных ответов. Однако на основе наземных оптических, инфракрасных и радиолокационных измерений был выдвинут ряд гипотез относительно химического состава и физико-механических свойств слагающего лунную поверхность вещества и длительного процесса формирования лунного рельефа.

Большое распространение, например, получила гипотеза, в которой учитывался тот факт, что у Луны нет атмосферы, а следовательно, на ней отсутствуют процессы выветривания. Основываясь на этом, многие ученые (в частности, советские ученые А. В… Хабаков и Н. П. Барабашов) предполагали, что наблюдаемая нами поверхность Луны представляет собой совершенно свежую, ничем не покрытую и ничем не измененную поверхность тех магматических пород, из которых образовались верхние слои лунной коры. Развивая далее эту гипотезу, ученые основывались на данных геохимии и, в частности, приходили к заключению, что темные участки лунной поверхности («моря») сложены породами, бедными кремнием (например, базальтами), а светлые участки («материки») образованы породами кислого состава.[1]

Кроме того, относительно гладкая поверхность «морей» и дна некоторых круглых кратеров (цирков), по мнению ученых, должна представлять собой излившуюся несколько позже и застывшую лаву (основного состава). Причем обильное выделение газов при излиянии этой лавы могло придать пористое строение теперешней (застывшей) ее поверхности (подобно пемзе и шлаку). В то же время аналогия с земной вулканической деятельностью приводила к предположению о возможном наличии на Луне рыхлых продуктов деятельности лунных вулканов, таких, как пепел, туф.

Однако поскольку наблюдаемые участки лунной поверхности в среднем темнее всех известных типов земных пород, то полная аналогия между лунными и магматическими земными породами оказалась невозможной. И для спасения рассматриваемой гипотезы понадобился ряд дополнительных предположений. В частности, было выдвинуто предположение о возможном изменении окраски минералов под действием солнечной радиации и космических лучей. Проведенные лабораторные исследования действительно показали, что некоторые земные минералы темнеют при их облучении. На основании этого было сделано заключение: что чем темнее та или иная деталь наблюдаемой лунной поверхности, тем она и старше. Кроме того, оценки показали, что за 1 млрд. лет космического облучения потемнение могло охватить слой лунной поверхности толщиной в несколько сантиметров.

В связи с этим привлекло к себе внимание интересное и еще малоизученное явление «защитной корки» на поверхностях отдельных скальных пород пустынных районов Земли. Она представляет собой темно-бурую. (или черную) пленку, состоящую из окисей марганца и железа, а также из кремния и образующуюся под действием длительного излучения Солнца. Указанное явление, по мнению советского ученого В. В. Шаронова, подтверждает возможность потемнения лунных пород в результате их длительной «обработки» солнечной радиацией.

Следует отметить, что наружный покров лунной поверхности независимо от его происхождения и состава действительно подвергается длительному воздействию различного вида облучений. Если первичная горная порода Луны содержала достаточное количество углерода, азота и кислорода, то облученный материал должен был обладать сильным поглощением в видимой области спектра. Именно этим обстоятельством, а также наличием очень пористой структуры пород можно объяснить низкую отражательную способность (альбедо) и малую теплопроводность вещества лунной поверхности. Кроме того, поскольку внешний покров Луны в силу этих обстоятельств должен быть химически неустойчив, то происходящие в нем химические реакции, могли бы, в частности, быть причиной исчезновения остатков атмосферы, наличие в отдаленные времена которой (как и гидросферы) предполагалось многими учеными.

Вместе с тем рассматриваемая гипотеза не могла полностью удовлетворить ученых, поскольку все ее предпосылки основывались на чисто внешней аналогии между земными и лунными породами. Кроме того, принадлежность к тому или иному типу пород определялась по их окраске, в то время как окраска пород столь чувствительна к внешним, весьма различным на Луне и Земле факторам, что путь прямых аналогий не мог привести к надежным результатам. Поэтому наряду с этой гипотезой выдвигались и другие.

Так, например, американский ученый Р. Кларксон предположил, что на Луне преимущественную распространенность имеют осадочные породы, поскольку, по его мнению, в некоторый период прошлого Луны на ней существовали настоящие моря и океаны. В связи с этим обсуждалась роль морского прибоя в разрушении кратеров, расположенных по окраинам морей, а на месте крупных цирков предполагалось существование в прошлом озер. Более темная окраска теперешних лунных «морей» и дна цирков объяснялась в рамках этой гипотезы с помощью существующих там осадочных пород типа глин, песчаников и сланцев. Однако большинство ученых восприняли предложение Р. Кларксона как слишком экзотическое, так как наличие в прошлом воды на Луне было весьма маловероятным.

Большее распространение получила гипотеза о том, что наблюдаемая с Земли поверхность Луны состоит из веществ, возникших в результате разрушения материнских коренных горных пород под действием различных внешних факторов: гипотетической атмосферы, солнечного облучения, перепадов температуры и, может быть, действия воды. Под влиянием этих факторов на Луне должны происходить окисление горных пород и гидролиз минералов, а также ряд других химических превращений. Для протекания этих процессов требуется наличие на Луне воды, свободного кислорода и углекислого газа, которые могли образоваться либо из гипотетической древней лунной атмосферы, либо в результате вулканической деятельности. Опять же наличие в далеком прошлом воды, а также атмосферы на Луне многие ученые считают очень маловероятным, но тем не менее как положительный момент следует отметить, что перепады температур на Луне действительно существуют и должны играть определенную роль в геохимической эволюции лунных пород.

Рассмотрим теперь ряд гипотез, которые основывались на предположении о наличии на Луне пылевого слоя. Согласно одной из них, предложенной американским ученым Т. Голдом, на Луне должен существовать значительный пылевой покров, возникший за счет разрушения горных пород под действием солнечного излучения (из-за разрушения кристаллической решетки минералов) и бомбардировки метеоритов (из-за измельчения коренных пород). В связи с этим лунная пыль по своему химическому составу должна быть в основном аналогичной горным породам, при разрушении которых она образовывалась, но, конечно, с учетом метеоритного вещества.

Предположение о том, что поверхность Луны покрыта пылью, позже подтвердилось. Однако относительно роли Солнца и метеоритов в образовании пылевого слоя на лунной поверхности до сих пор пока нет единого мнения. Интересно в связи с этим отметить схему образования метеоритно-пылевого слоя, предложенную американским ученым Г. Юри. По его мнению, Луна образовалась из холодного метеоритноподобного материала и никогда не была полностью расплавленным телом. Огромную роль в истории Луны сыграли, как считал Г. Юри, ее столкновения в далеком прошлом с гипотетическими планетоподобными телами — планетозималями, в результате чего должно было образоваться большое количество пылевого материала, а также воды и газов (причем процессы расплавления носили локальный характер). На формирование поверхностных слоев значительное влияние, по мнению американского ученого, оказывали метеориты, падение которых на Луну в период ее позднейшей истории сопровождалось взрывными явлениями и переплавлением вещества. В частности, Г. Юри полагал, что круглые лунные «моря» образовались в результате столкновений с планетозималями, и поэтому поверхность «морей» должна состоять из переработанного вещества крупных метеоритных тел, тогда как «материки» и валы кратеров — из горных пород, по составу близких к базальту.

Экспериментальные исследования химического состава лунной поверхности, проведенные в настоящее время, не подтвердили гипотезу Г. Юри — на Луне не обнаружены породы, сходные по своему составу с метеоритами. Однако возможная роль метеоритов в формировании рельефа лунной поверхности сейчас подробно обсуждается. В частности, получила известность «метеоритно-шлаковая» гипотеза строения и происхождения покрова Луны, предложенная и подробно разработанная советским астрономом Н. Н. Сытинской.

Как известно, при каждом падении метеорита на поверхность Луны возникает своеобразный взрыв. Если скорость метеорита (в момент столкновения) составляет несколько десятков километров в секунду, то выделяемое при этом тепло полностью обращает в пар не только сам метеорит, но и часть вещества лунного грунта, находившегося вблизи падения (причем масса испарившегося лунного вещества может в несколько тысяч раз превосходить массу метеорита). По мнению Н. Н. Сытинской, конденсация испарившегося материала должна происходить таким образом, что на месте падения метеорита образуется не пыль, а нечто похожее на гранулы пористой массы — ноздреватые, слипшиеся и спекшиеся образования темного цвета. По своему внешнему виду они должны напоминать шлаки, возникающие на поверхности лавы при ее извержении из земных вулканов (отсюда и название данной гипотезы).

Итак, мы рассмотрели несколько гипотез об образовании, строении и составе лунного грунта. Согласно им поверхность Луны может состоять из самых разнообразных горных пород — от основных до кислых и осадочных (и даже метеоритноподобных). Таким образом, определенного ответа на вопрос, какие химические элементы и в составе каких пород (в земных аналогах) могут встретиться на Луне, существовавшие тогда данные наблюдений и основанные на них гипотезы дать не смогли. Химический состав лунного грунта так и продолжал оставаться загадкой для ученых, решение которой стало возможным лишь после экспериментальных исследований, проведенных с помощью ракетно-космической техники.