Химия лунного грунта

РЕНТГЕНОВСКИЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД: «ЛУНОХОД-2»

Исследования Луны с помощью самоходных автоматических аппаратов, начатые «Луноходом-1», были продолжены во время работы «Лунохода-2». Главной задачей научной программы «Лунохода-2» являлось комплексное исследование лунной поверхности в переходной зоне «море — материк», своеобразной границе между «морем» и «материком». С помощью «Лунохода-2» предстояло изучить изменение свойств поверхности и выявить вариации различных характеристик рельефа и грунта в этой области.

Для решения поставленной задачи «Луноход» был оснащен оборудованием, включающим улучшенную систему телевизионных и фототелевизионных камер (с устройством для количественных исследований оптических характеристик поверхности), магнитометр, приспособление для определения физико-механических свойств грунта и рентгеновский спектрометр РИФМА-М. В совокупности эти приборы действительно позволили выявить многие особенности строения верхнего покрова Луны в граничной зоне между «морем» и «материком».

Технические возможности «Лунохода-2» позволили установить на его борту наряду с перечисленными приборами также и другую аппаратуру: астрофотометр для измерения светимости лунного неба, радиометр, фотоприемник «Рубин-1» (для проведения экспериментов по лазерной пеленгации), а также лазерный уголковый отражатель.

8 января 1973 г. станция «Луна-21» с «Луноходом-2» на борту стартовала с Земли, а 16 января совершила мягкую посадку в южной части кратера Лемонье, находящегося на восточной окраине Моря Ясности, в точке с селеноцентрическими координатами 25°51′ с. ш. и 30°27′ в. д.

Море Ясности (второе по величине после Моря Дождей) относится к поясу круговых лунных «морей». Его чаша является одним из весьма древних образований лунного рельефа. Затопление ее базальтовыми лавами, видимо, произошло на сравнительно позднем этапе истории Луны. Таким образом, Море Ясности можно считать одним из сравнительно молодых «морей» на лунной поверхности. В процессе образования этого «моря» на его окраине был частично разрушен вал и затоплено базальтовыми лавами днище одного из ранее существовавших на материке кратеров размером 55 км в поперечнике.

В непосредственной близости от места посадки была расположена приподнятая холмистая область, к востоку и югу переходящая в «материковую» местность и далее в горные массивы Тавр. Большой интерес представлял и крупный тектонический разлом поверхности длиной около 16 км, который также находился в зоне досягаемости «Лунохода-2» (рис. 10).

Рис. 10. Маршрут движения «Лунохода-2» в кратере Лемонье. Юго-западная часть маршрута пролегала в холмистой части предгорий, остальная часть — по днищу кратера. В частности, восточная часть маршрута проходила вблизи тектонического разлома (Борозда Прямая). Цифрами обозначены точки, где проводился анализ химического состава

После проверки функционирования бортовых систем, осмотра места посадки и калибровки спектрометра РИФМА-М начался спуск «Лунохода-2» с посадочной платформы «Луны-21». Детально обследовав с помощью «Лунохода-2» посадочную ступень и условия посадки, ученые приступили к выполнению обширной программы научных экспериментов на лунной поверхности. За время работы «Лунохода-2» на лунной поверхности с января по май 1973 г. им был пройден путь более 37 км, включавший участки с весьма сложным рельефом, сыпучим грунтом и каменными россыпями.

Богатый практический опыт, накопленный в ходе работы «Лунохода-1», позволил внести в систему «Лунохода-2» ряд усовершенствований, которые значительно расширили его возможности по маневренности, скорости и дальности перемещения. Это обстоятельство позволило поставить перед «Луноходом-2» гораздо более разнообразные и сложные задачи. В частности, при исследовании переходной зоны предусматривалось проследить, насколько резко меняются геолого-морфологические характеристики поверхности и химический состав грунта при переходе от «моря» к «материку», как и насколько резко меняется тип пород, слагающих поверхность в этом районе.

Хотя для проведения химических исследований на «Луноходе-2» был использован тот же принцип, что и на «Луноходе-1», в устройство спектрометра, однако, был внесен ряд существенных изменений, вызванных как постановкой новых физических задач, так и улучшением технических характеристик самого прибора. В связи с тем, что «Луноходу-2» предстояло исследовать переходную зону «море — материк» и выяснить характер изменения химического состава грунта в этой зоне, требовалось найти аналитический признак, достаточно четко характеризующий два существенно различных типа поверхности — «морской» и «материковой». Рассмотрение имевшихся данных по химическому составу вещества лунной поверхности показало, что наиболее четким признаком с этой точки зрения является содержание железа, составляющее в «морях» 10–15 %, а в «материковых» районах — всего 3–5 %.

На основании этого большое внимание при разработке прибора РИФМА-М было обращено повышению его чувствительности и точности измерения содержания именно этого элемента. Были изменены конструкция и компоновка выносного блока, тип используемых радиоактивных источников и их расположение по отношению к блоку детекторов, улучшена конструкция детекторов, а также установлен специальный детектор для регистрации рентгеновского излучения Солнца.

Дело в том, что поверхность Луны, лишенная атмосферы, представляет собой идеальную платформу для рентгеновских исследований, которые невозможно проводить, находясь на поверхности Земли: все рентгеновское излучение, идущее к нам из космоса, полностью поглощается земной атмосферой. Поэтому на основе спектрометра РИФМА-М был задуман дополнительный астрофизический эксперимент по регистрации рентгеновского излучения космического происхождения. Детектор был расположен в верхней части выносного блока, возможность постоянного контроля его работоспособности обеспечивалась наличием в нем калибровочного источника. По положению линии этого источника в спектре детектора, ее ширине и амплитуде можно было судить о стабильности его параметров (усиления, эффективности, разрешающей способности).

Остальные детекторы, предназначенные для регистрации флуоресцентного излучения лунного грунта, располагались, как и в аппаратуре РИФМА («Луноход-1»), в нижней части выносного блока. Ряд детекторов был снабжен характеристическими фильтрами для разделения спектральных линий, близких по энергии флуоресцентного излучения элементов. Была предусмотрена возможность калибровки всех детекторов как на трассе перелета Земля — Луна, так и после посадки на лунную поверхность.

Для проверки работоспособности всего прибора один из детекторов выполнял контрольную функцию. Он не имел входных окон для попадания в него излучения, в то время как внутри него был помещен радиоактивный источник и образец земного грунта известного химического состава, постоянно облучавшийся этим источником. Таким образом, спектр, даваемый этим детектором, был заранее известен и постоянно контролировался. В результате можно было делать выводы о работоспособности всей системы детекторов в целом, а также об исправности радиотракта (при работе блока детекторы включались в работу поочередно).

Установке выносного блока на «Луноходе-2» предшествовали обширные лабораторные исследования. С помощью летного экземпляра выносного блока были изучены спектры флуоресцентного излучения большого числа земных минералов известного химического состава. Измерения проводились в большой вакуумной камере (рис. 11) в условиях реальной геометрии космического эксперимента. Исследовалась зависимость полученных результатов от степени измельчения грунта, плотности его насыпания, расстояния блока над поверхностью грунта и т. д. В результате было получено большое число спектров грунтов известного состава (см. рис. 2), знание которых было необходимо при обработке результатов, полученных во время работы «Лунохода-2», с целью определения абсолютных концентраций элементов в лунном грунте.

Измерения химического состава грунта были начаты на небольшом удалении от посадочной платформы, на валу кратера диаметром 40 м. Состав грунта здесь оказался следующим: кремний — 24 ± 4 %, кальций — 8 ± 1 %, железо — 6,0 ± 0,6 %, алюминий — 9 ± 1 % (напомним, что измерения «Лунохода-1» в Море Дождей дали 10–12 % железа). При движении «Лунохода-2» на юг исследованию подвергся кратер диаметром 13 м, удаленный от места посадки примерно на 1,5 км. Грунт в этом районе оказался схожим по составу с грунтом ранее исследуемого участка. Таким образом, судя по химическому составу, лунные породы в районе посадки станции не могут быть отнесены к типично «морским».

Рис. 11. Выносной блок аппаратуры РИФМА-М в большой вакуумной камере при проведении модельных экспериментов — получении спектров флуоресцентного излучения грунта известного химического состава. Блок закреплялся на штанге, и его положение относительно грунта могло изменяться

По мере продвижения «Лунохода-2» к холмам, расположенным в южном направлении, содержание железа стало падать и составило 4,9 ± 0,4 % при удалении от места посадки на 4,5 км. В сеансе, проведенном в точке наибольшего продвижения в сторону «материка», зарегистрировано самое низкое содержание железа — 4,0 ± 0,4 %, причем одновременно содержание алюминия возросло до 11,6 ± 1,0 % (это определение химического состава проводилось вблизи кратера диаметром 2 км). К этому времени «Луноход-2» прошел уже несколько километров (около 10) и находился в пределах холмистой приподнятой равнины, расположенной к юго-западу от кратера Лемонье (собственно, уже вне кратера). По типу рельефа эта местность является переходной от Моря Ясности к массиву гор Тавр. Следует отметить, что по сравнению с измеренным в районе посадки отношение концентраций кремния к железу на участке наибольшего продвижения в глубь «материковой» зоны возросло в 1,5 раза, а отношение алюминия к железу — приблизительно в 2 раза. Такой состав напоминает земные горные породы анортозитового типа, по-видимому, широко распространенные на лунных материках.

При дальнейшем движении «Луноход-2» покинул зону холмов и возвратился на поверхность кратера Лемонье. Проведенные здесь измерения дали состав грунта, сходный с составом поверхности в месте посадки. Примеры спектров, полученных при работе аппаратуры РИФМА-М на «Луноходе-2», представлены на рис. 12.

Рис. 12. Пример спектров флуоресцентного излучения лунного грунта, полученных с помощью «Лунохода-2»

При дальнейшем движении «Луноход-2» исследовал Борозду Прямую — тектонический разлом поверхности, находящийся к юго-востоку от места посадки. Результаты анализов, произведенных на западном и восточном склонах этого образования, в пределах точности эксперимента совпадают. Содержание кальция составляет около 8 %, содержание железа на западном склоне — 7,5 ± 0,9, на восточном — 8,0 ± 1,0 %. Это несколько превышает концентрацию железа в равнинной части исследованного района и, по-видимому, связано с морфологическими особенностями данного участка поверхности.

По составу поверхности в исследованной «Луноходом-2» части кратера Лемонье могут быть выделены три района.

Результаты анализов, выполненных в равнинной части днища кратера Лемонье, дают основание считать, что породы в районе посадки и во всей южной зоне этого кратера, по-видимому, не являются типично «морскими». Измеренное содержание железа там оказалось равным 6 %, что существенно ниже типичных для «морских» районов значений (10–12 %). Между тем по рельефу и морфологическим характеристикам этот район весьма похож на «морской» (см. табл. 2).

Таблица 2

Район в юго-западной части маршрута значительно отличается от первого. По светлому тону поверхности, обилию холмистых гряд, малому количеству камней его можно считать разновидностью «материковой» поверхности. Исследования химического состава поверхности в северной части этого лунного образования показали, что по крайней мере самый верхний слой реголита здесь состоит из породы с весьма малым (около 4 %) содержанием железа и повышенной (по сравнению с «морскими» базальтами) концентрацией алюминия. Район тектонического разлома (Борозда Прямая), общая протяженность которого составляет 16 км, а ширина (местами) — до нескольких сотен метров, характерен тем, что его склоны покрыты каменными россыпями, включающими в себя крупные (метровые) камни. Несмотря на сложность передвижения в зоне крупных камней, «Луноход-2» все же продвинулся к краю разлома и произвел анализ состава поверхности. Среди результатов в первую очередь следует отметить явное повышение содержания железа на склонах разлома.

Таким образом, в результате проведенных исследований получены данные, свидетельствующие об обнаружении постепенных изменений химического состава грунта в переходной зоне «море — материк»: при движении «Лунохода-2» по поверхности кратера Лемонье к «материку», при нахождении самоходного аппарата в «материковом» районе и при дальнейшем движении по дну кратера в восточном направлении. Поверхность в переходной зоне явно обладает промежуточными свойствами. Отсутствие резкой границы между «морским» и «материковым» веществом говорит о взаимном влиянии этих разнородных поверхностей.

Для объяснения обнаруженного «Луноходом-2» явления можно представить себе следующую картину. Частицы «материкового» вещества, передвигаясь по склонам вниз, постепенно образовывали полосу «материкового» грунта на «морской» равнине (возможные механизмы перемещения вещества были описаны выше). Перемешивание с частицами «морского» вещества создавало в этой полосе особый грунт, по составу промежуточный между «материковыми» (анортозиты) и «морскими» (базальты) породами.

Такова общая схема. Детали этого явления, механизмы движения частиц грунта, эффект перемешивания вещества — все это требует дальнейшего изучения.

Работа «Лунохода-2» являлась первым исследованием, проведенным в переходной зоне «материк — море» и позволившим определить характеристики этой области. Посредством прибора РИФМА-М удалось обнаружить вариации химического состава вещества лунной поверхности в этом районе, коррелирующие с геолого-морфологическими особенностями рельефа. Промежуточные свойства граничной зоны могут быть объяснены действием механизма горизонтального переноса вещества на лунной поверхности, причем ширина полосы смешивания составляет, по-видимому, несколько километров.