Строение Луны

Строение наружного покрова Луны

Представления о строении покрова Луны до 1966 г. Первые сведения о структуре и физических свойствах покрова Луны были получены в результате наземных измерений ее оптического, теплового и радиоизлучений. Ведущая роль в наземных исследованиях покрова Луны принадлежала советским астрономам Н. П. Барабашову, А. В. Маркову, В. С. Троицкому, В. Г. Фесенкову, В. В. Шаронову, начавшим исследования физических свойств покрова Луны задолго до космических полетов. Эти исследования прежде всего обнаружили необычный характер отражения света поверхностью Луны, который можно было объяснить только чрезвычайной ее изрытостью. Интерпретация и моделирование полученных оптических характеристик лунной поверхности позволили сделать фундаментальный вывод о том, что наружный слой (несколько миллиметров) покрова Луны обладает столь высокой пористостью, какой не обладает ни один из земных грунтов. Подобную пористость имеют лишь искусственные губкообразные материалы с очень тонкими непрозрачными стенками, а также материалы, напоминающие мох со сложной ветвистой структурой. Этот вывод на долгие годы был положен в основу многих гипотез о возможном строении покрова Луны. Исследования инфракрасного излучения Луны показали, что его теплопроводность в сотни раз меньше теплопроводности земных горных пород и подтвердили вывод о высокой пористости уже более толстого (до 10 см) наружного слоя покрова Луны. Оценка свойств покрова Луны на еще большую глубину впервые была сделана В. С. Троицким и его сотрудниками. Путем регистрации радиоизлучения Луны они установили, что средняя плотность покрова Луны постепенно увеличивается. Так, на глубине до 4 см она может быть принята равной 0,6 г/см³, на глубине до 3 м — 1 г/см³, на глубине до 6 м— 1,5–2 г/см³. Эти данные относились ко всему диску Луны.

Физические свойства поверхности Луны использовались для разработки гипотез о строении покрова Луны. Однако в результате различного понимания процессов формирования покрова Луны и характера воздействия на него внешних (экзогенных) и внутренних (эндогенных) факторов данные наземных наблюдений по разному интерпретировались и привели к различным представлениям о строении покрова Луны.

Преобладающими были гипотезы о чрезвычайно пористом, пенистом, но твердом, как бы застывшем лавовом покрове Луны (В. С. Троицкий, Г. Койпер). Существовала также гипотеза о ноздреватом, губчатом строении покрова Луны, сложенного из спекшегося шлака (Н. Н. Сытинская), о рыхлом зернистом покрове (Н. П. Барабашов). В то же время упорно отстаивалась гипотеза пылевого покрова Луны, чрезвычайно рыхлого на глубину в несколько километров (Т. Голд).

Ожидалось, что детальное фотографирование поверхности Луны с помощью космических аппаратов снимет эти противоречия. В США в 1964–1965 гг. был проведен запуск серии аппаратов «Рейнджер», которые передавали телевизионные изображения поверхности Луны вплоть до их удара о поверхность Луны. На снимках, полученных с высоты вплоть до 300 м от поверхности, можно было различить детали с размерами до 0,5 м (тогда как на снимках с Земли наименьший размер составлял 300 м).

Однако анализ многочисленных (десятки тысяч) изображений не привел к однозначным представлениям о строении покрова Луны: несмотря на единство взглядов о высокой пористости покрова Луны, мнения о его прочности оставались существенно различными.

Так, например, в 1965 г. на конференции, организованной НАСА, возникли резкие разногласия по вопросу о несущей способности верхнего покрова Луны и ее зависимости от глубины. Названную Г. Койпером величину 1 кгс/см² большинство участников конференции считали завышенной и предлагали ее снизить на 2–3 порядка.

Стала очевидной необходимость применения надежных инженерных методов определения механических свойств грунтов. Но для проведения этих исследований, в свою очередь, было необходимо осуществить мягкую посадку на Луну.

Определение физико-механических свойств наружного покрова Луны. Физико-механические характеристики необходимы были прежде всего для решения таких первоочередных технических проблем, связанных с освоением Луны, как обеспечение мягкой посадки на Луну и передвижения по ее поверхности. Важное научное значение этих характеристик состоит также в том, что они могут быть использованы в качестве геологических показателей условий формирования и существования покрова Луны.

Первые рекогносцировочные эксперименты были выполнены с помощью советских автоматических станций «Луна-9» и «Луна-13» и американских автоматических аппаратов серии «Сервейер». Выдающимся научно-техническим достижением стало осуществление мягкой посадки на Луну.

Впервые эту посадку совершила советская автоматическая станция «Луна-9».

В связи с тем что прочность покрова Луны, по существу, не была известна, конструкция станции «Луны-9» позволяла осуществить ее посадку как на весьма слабые пылевые грунты, так и на высокопрочные скальные горные породы (рис. 14).

Рис. 14. Схема посадок станции «Луна-9»:

1 — торможение лунной ракеты и наполнение газом эластичных мешков посадочного устройства; 2 — автоматический аппарат в посадочном устройстве на поверхности Луны; 3 — эластичные мешки после разделения; 4 — автоматический аппарат после отделения эластичных мешков (перед раскрытием антенн)

Общие представления о механических свойствах лунного грунта в месте посадки «Луны-9» были получены благодаря успешной мягкой посадке, которая показала, что грунт достаточно прочен для того, чтобы выдержать первый удар станции, находящейся в амортизационной оболочке, а также второй — при освобождении металлического контейнера из амортизаторов.

Первые приборы для измерения свойств покрова Луны были установлены на станции «Луна-13», которая опустилась на поверхность Луны в Океане Бурь 24 декабря 1966 г. Станция была оборудована тремя приборами для определения механических свойств грунта: пенетрометром, радиационным гамма-плотномером и динамографом. Последний был жестко укреплен внутри корпуса станции и измерял ускорения, возникавшие в процессе соударения станции с поверхностью Луны. Пенетрометр и плотномер были после посадки автоматически установлены на поверхность грунта в 1,5 м от корпуса станции.

Пенетрометр с помощью реактивного двигателя твердого топлива осуществил погружение в лунный грунт индентора и измерил возникающее сопротивление грунта.

Радиационный гамма-плотномер, предназначенный для определения плотности лунного грунта, состоял из блока датчиков, который автоматически устанавливался на поверхность грунта (рис. 15) и регистрирующего блока, находившегося внутри корпуса станции. Принятая схема прибора предусматривала облучение поверхности грунта потоком гамма-квантов от радиоактивного источника — цезия-137 и регистрацию рассеянного излучения, интенсивность которого зависит от плотности покрова Луны.

Рис. 15. Блок датчиков гамма-плотномера, с помощью которого были проведены первые физические измерения на поверхности Луны

Исследования показали, что грунт в месте посадки по своему взаимодействию с применяющимся аппаратом ближе всего подходит к несвязному грунту средней плотности. Он состоит из зернистого слабосвязного материала. Средняя плотность верхних 15 см грунта не менее 0,8 г/см³, сцепление в пределах верхних 5 см составляло около 0,005 кгс/см², а несущая способность равнялась 0,68 кгс/см².

Значительный вклад в определение прочности покрова Луны дали эксперименты, выполненные на американских станциях «Сервейер» в 1966–1968 гг. Интересные данные были получены на основе анализа динамики соударения аппаратов с грунтом, из опытов по автоматическому рытью траншеек (глубиной до 18 см). Полученные результаты в основном совпали и подтвердили результаты измерений, проведенных на «Луне-13».

Исследования физико-механических свойств покрова Луны в отдельных точках ее поверхности подготовили возможность высадки на Луну космонавтов и передвижения по ней транспортных средств.

В 1969–1972 гг. на Луну была произведена высадка шести экспедиций американских космонавтов в рамках программы «Аполлон». В общей сложности космонавты находились на Луне около 300 ч, из них примерно 80 ч они работали непосредственно на ее поверхности вне корабля «Аполлон».

Для исследования покрова Луны космонавты использовали геологическое и буровое снаряжение, фото— и кинокамеры. В комплект геологического снаряжения входили: лопатка, решетчатые совок и захват, геологический молоток и удлинительная ручка к ним, а также трубчатые грунтоносы для отбора образцов грунта и их — герметизации, щетка для очистки образцов, объединенная с лупой и разметчиком образцов, пружинные весы. Для сбора образцов использовались мешочки из тефлона и герметичный контейнер для них, а также специальные контейнеры, обеспечивающие сохранение высокого вакуума в течение длительного времени.

Для бурения скважин (диаметром 25 мм на глубину до 3 м) применялся ручной электрический колонковый бур. Рабочий орган бура мог одновременно вращаться, совершая 300 об/мин и наносить удары по забою скважины (2270 ударов в минуту). Масса бура на Луне составляла 1,96 кг, и для повышения эффективности космонавт должен был налегать на него своей тяжестью.

В экспедиции «Аполлона-14» впервые был использован простой ручной пенетрометр, представлявший собой алюминиевый стержень длиной 680 мм, диаметром 9,5 мм с заточенным нижним концом. Стержень был окрашен кольцами шириной 2 см для визуальной оценки глубины погружения и определения прочности грунта. Пенетрометр нагружался вручную.

В экспедициях «Аполлона-15 и -16» применялся пенетрометр с самописцем, который вычерчивал кривую зависимости глубины погружения от нагрузки.

В первых экспедициях научное оборудование и снаряжение космонавты переносили вручную. В экспедиции «Аполлона-14» они использовали ручную тележку, а в экспедициях «Аполлона-15, -16 и -17» они перемещались на вездеходах.

Большой интерес для оценки свойств покрова Луны имеют наблюдения космонавтов за особенностями своего передвижения и работой, связанной с погружением геологических инструментов.

Экипаж «Аполлона-11» высадился в Море Спокойствия на плоской равнине, усеянной многочисленными мелкими кратерами. На поверхности лежало много камней, комков и обломков горных пород размером до 80 см. На поверхности лежал коричневато-серый, слегка связный зернистый грунт, крупность зерен которого соответствует мелкому или пылеватому песку. Зерна прилипали к обуви подобно угольной пыли.

По внешнему виду грунта трудно было оценить его несущую способность. Отмечалась совершенно неожиданная разница в глубине следов и рыхлости грунта в пунктах, неразличимых друг от друга на глаз. Возможно, это было связано с разной толщиной рыхлого слоя.

Следы имели четкие кромки и не нарушали грунта вне своего очертания. Однако иногда отмечались растрескивание и взбугривание прилегающей поверхности грунта, что говорит о большей первоначальной плотности. Комки, встречающиеся на поверхности, были очень похожи на камни. Они легко разрушались под ногой, так как состояли из слипшихся между собой частиц.

Средняя глубина следа космонавта была около 1 см. Наибольшая (15–20 см) была отмечена при ходьбе по рыхлому грунту, из которого состоят валы кратеров.

Экспедиция «Аполлона-12» проводила исследования в типично морском районе Луны (в Море Познанном), сходном по своему характеру с районом, где работала предыдущая экспедиция, но находящимся от нее на расстоянии около 1,5 тыс. км. Грунт был в месте посадки черный, пылевато-песчаный с включением более крупных зерен. Глубина слоя пыли была значительно больше, чем в районе посадки «Аполлона-11». Ноги космонавтов местами глубоко погружались в пыль, и та налипала на все предметы, которыми они пользовались.

Космонавты занесли много запыленных предметов внутрь кабины и заметили, что после пребывания в атмосфере кислорода при давлении 0,35 кгс/см² в течение нескольких дней пыль отстала от поверхности предметов.

Экспедиция «Аполлона-14» высадилась в материковом районе, покрытом огромным количеством кратеров. Грунт оказался исключительно мягким и мелкозернистым, напоминая порошок талька, окрашенный в коричневый цвет.

При рытье траншейки были вскрыты следующие слои: верхний зернистый темно-коричневый, толщиной 3–5 см; следующий за ним слой из черных стекловатых частиц — 0,5 см или меньше. Ниже лежал более светлый крупнозернистый материал. Погружение грунтоносов проходило значительно труднее, чем в предыдущей экспедиции. Грунт плохо держался внутри грунтоносов и частично высыпался при их извлечении. Пенетрометр погрузился на глубину до 70 см.

Экспедиция «Аполлона-15» высадилась на местности, где толщина слоя пыли оказалась равной 15–30 см, т. е. значительно больше, чем в местах первых экспедиций. На склонах около 10° космонавтам было трудно удерживать равновесие, и они не раз падали.

Экспедиция «Аполлона-16» исследовала район плоскогорья у кратера Декарт. Участок посадки оказался загроможден большими обломками горных пород. Отмечалось очень большое количество пыли.

Экспедиция «Аполлона-17» высадилась на местности, густо покрытой кратерами мелких размеров. Местами встречался очень рыхлый грунт, в котором следы космонавтов достигали глубины 20 см. При поездке на вездеходе очень мешала пыль, от ее абразивного действия стерся слой резины на рукоятке геологического молотка, и начали протираться перчатки.

В этой экспедиции впервые участвовал геолог-астронавт — Г. Шмитт. Им были обнаружены отложения шариков, состоящих из оранжевого и черного стекла специфического химического состава, указывавшего на их возможное вулканическое происхождение. Г. Шмитт пишет, что «только уникальный в научном отношении характер района экспедиции «Аполлона-17», где встречались как наиболее древние, так и самые молодые геологические формации, мог смягчить печаль от сознания того, что полетом этой экспедиции заканчивались исследования по программе «Аполлон».

На экспедиции «Аполлонов» затрачено 25 млрд. долл., каждый новый полет обходился почти в 0,5 млрд. долл. Экспедиции космонавтов пришлось прекратить, как указывали руководители НАСА, по финансовым соображениям. Программа дальнейшего изучения Луны с помощью пилотируемых полетов в США была отложена.

Советская программа космических исследований предусматривала систематическое и планомерное изучение Луны с использованием автоматических исследовательских станций. При этом намечалось расширение исследований с помощью самоходных станций «Луноход», позволяющих вести длительные исследования на протяженных трассах, охватывающих большие площади поверхности Луны. Другая серия автоматических станций типа «Луна» предназначалась для бурения в глубь покрова Луны и доставки образцов лунного грунта.

В 1970–1973 гг. были проведены эксперименты с участием самоходных научных лабораторий «Луноход-1 и -2». Путешествие «Лунохода-1» началось 17 ноября 1970 г. и продолжалось 332 дня. За это время «Луноход-1» прошел свыше 10 км. По всей трассе движения «Лунохода-1» проводились систематические исследования покрова Луны. На Землю было передано около 25 тыс. снимков поверхности и более 200 панорам. В результате сфотографировано 500 тыс. м² лунной поверхности, а 80 тыс. м² детально обследовано.

На «Луноходе-1» был установлен комплекс научной аппаратуры, в том числе прибор для прямого измерения механических свойств лунного грунта. Эти измерения проводились по всей трассе движения через каждые 15–30 м пути. Непрерывно измерялись и использовались для оценки свойства покрова Луны параметры взаимодействия ходовой части «Лунохода-1» с грунтом Луны.

16 января 1973 г. началось путешествие «Лунохода-2» в восточной окраине Моря Ясности, в районе кратера Лемонье. В этой экспедиции в течение 4 месяцев исследовалась переходная зона от лунного моря к материку. В условиях сложного рельефа были проведены исследования по трассе протяженностью 37 км.

Следует напомнить, что «Луноход» представляет собой автоматический аппарат, управляемый с Земли и рассчитанный на длительный срок работы в условиях лунной среды и пересеченной местности.

Ширина колеи «Лунохода» 160 см, колесная база 170 см, диаметр колеса по грунтозацепам 51 см, ширина обода 20 см, масса «Лунохода» 576 кг. Давление на грунт при глубине колеи 3 см составляет 0,05 кгс/см².

Физико-механические свойства грунта определялись независимо тремя методами.

Первый метод — это прямое определение механических характеристик грунта с помощью пенетрометра (рис. 16). Этот прибор смонтирован на ходовой части «Лунохода». Рабочей частью пенетрометра «Лунохода» служит конус с крестообразными лопастями. Под действием специального механизма конус автоматически вдавливался в грунт и затем поворачивался вокруг своей продольной оси, что позволяло измерять сопротивление лунного грунта сжатию и сдвигу.

Рис. 16. Общий вид автоматического прибора ПРОП, с помощью которого проведено более 1000 измерений механических характеристик реголита по трассе движения «Луноходов»

Другим методом определения механических свойств грунта являлась непрерывная регистрация во время движения «Лунохода» так называемых тягово-сцепных характеристик. Для этого на «Луноходе» установлена система датчиков, позволявших измерять угол наклона поверхности, величину крутящего момента для каждого колеса, скорость его вращения, величину пробуксования.

Оценка свойств грунта производилась также путем изучения следов «Лунохода», что позволяло судить о структуре грунта и его прочности.

По всей трассе движения «Луноходов» верхний слой покрова Луны был сложен мелкозернистым грунтом. Под колесами «Лунохода» обычно происходило уплотнение грунта, иногда с выпиранием его в стороны, с образованием трещин, сколов и комков. Обычно следы «Луноходов» имели крутые неосыпающиеся стенки, что указывало на наличие заметных сил сцепления. Девятое ненагруженное колесо, служившее для измерения пройденного пути, образовывало колею глубиной 0,5–1 см без выпирания грунта в стороны, что свидетельствовало о наличии на поверхности рыхлого слоя пылевидного, легко деформируемого рыхлого грунта.

По результатам работы пенетрометра была определена несущая способность верхнего слоя покрова Луны толщиной от 5,0 до 10 см (несущая способность определялась как удельное давление на конус при глубине внедрения, равной высоте конуса). Сопротивление вращательному срезу измерялось как отношение максимального крутящего момента на крыльчатке к моменту сопротивления суммы площадей среза. Кроме того, несущая способность оценивалась по следам девятого колеса.

При уплотнении грунта повторным вдавливанием несущая способность и сопротивление сдвигу значительно увеличивались. Следует отметить, что всего по трассе движения «Луноходов-1 и -2» было проведено свыше 1000 прямых измерений механических свойств покрова Луны, что позволило выявить его неоднородность, прежде всего связанную с характером местности и рельефа.

Рис. 17. Кривые зависимости нагрузки и глубины погружения в реголит конусно-лопастного штампа, установленного на «Луноходе-1»:

1 — на горизонтальном участке; 2 — на кольцевом валу кратера; 3 — на склоне кратера; 4 — на поверхности, усеянной мелкими камнями

На рис. 17 показаны типичные кривые внедрения пенетрометра, соответствующие горизонтальному участку, склону и валу кратера, а также участку, покрытому мелкими камнями. Во всех случаях несущая способность на валу кратера была заметно ниже, чем на склоне и горизонтальном участке кратера.

Были встречены участки, где наблюдалось не обычное увеличение несущей способности с глубиной, а ее снижение, что свидетельствовало о залегании более рыхлых слоев под плотными. Такие участки обладали повышенной просадочностью.

Рис. 18. Характер статистического распределения несущей способности реголита на одном из участков трассы «Лунохода-1»

Наиболее вероятное значение несущей способности по трассе движения «Лунохода-1» составило 0,34 кгс/см² (рис. 18). Несущая способность самого верхнего слоя грунта равнялась 0,02 — 0,03 кгс/см². Наиболее вероятное сопротивление вращательному сдвигу было 0,048 кгс/см², при изменениях по трассе движения — от 0,02 до 0,09 кгс/см².

«Луноход-1» позволил провести исследования отдельных камней. Наряду с достаточно прочными камнями было встречено много камнеподобных образований — больших комьев, которые легко раздавливались и рассыпались при наезде на них.

По трассе движения были также участки, где на поверхности встречались выходы твердых горных пород или твердое основание было прикрыто очень тонким слоем разрыхленного грунта (~10 см).

Исследования покрова Луны, проведенные экспедициями астронавтов и «Луноходами», показали существенное отличие строения верхнего покрова Луны от строения какого-либо земного грунта, а также обнаружили большую изменчивость физико-механических свойств лунного грунта.

Необходимо было развить исследования как изучением более глубоких слоев грунта, так и детальным наземным анализом строения и состава лунного грунта. Следует отметить, что лабораторные наземные исследования позволяют использовать более многообразную и сложную технику измерений, пока еще недоступную для прямых измерений на месте. В настоящее время только сочетание прямых исследований на Луне и лабораторных исследований на Земле позволяет проникнуть в природу тонких механических и физико-химических процессов, обусловливающих специфику строения покрова Луны, в том числе особенности физико-механических свойств лунного грунта.

Для бурения покрова Луны и для доставки образцов лунного грунта в Советском Союзе в 1970–1976 гг. проведен запуск автоматических станций «Луна-16, -20 и -24».

«Луна-16» совершила посадку на Луну 20 сентября 1970 г. в Море Изобилия. «Луна-20» опустилась на Луну 21 февраля 1972 г. в материковом районе с трудным для посадки рельефом, возле кратера Аполлоний. Автоматическая станция «Луна-24» опустилась на Луну 18 августа 1976 г. в юго-восточном районе Моря Кризисов.

Места посадки автоматических станций «Луна-16, -20 и -24» были выбраны так, чтобы доставленная на Землю серия образцов могла бы помочь составить представление о характерном регионе Луны, включающем в, себя морской, материковый и переходной участки поверхности Луны.

Так, например, место отбора пробы станцией «Луна-24» расположено вблизи восьмикилометрового кратера метеорного происхождения, и выбросы из него должны присутствовать в образцах, доставленных «Луной-24».

Автоматические станции «Луна-16 и -20» имели одинаковые буровое оборудование и грунтозаборное устройство, позволившие им взять пробу лунного грунта с глубины до 35 см. Грунтозаборное устройство станции «Луна-24» обеспечило бурение и взятие пробы грунта с глубины до 2 м.

Грунтозаборное устройство автоматических станций «Луна-16 и -20» состояло из бурового станка; штанги, на которой он укреплен, и приводов, перемещающих штангу в вертикальном и горизонтальном направлениях. Рабочим органом станка служило буровое устройство, предназначенное для бурения и отбора керна в горных породах как твердых, так и рыхлых.

По окончании бурения пробоотборник извлекался из грунта и вводился вместе с образцом грунта в специальный контейнер автоматического герметического аппарата, возвращаемого на Землю.

Следует отметить, что, помимо решения главной задачи — отбора и доставки пробы грунта, автоматическое бурение на Луне позволяло провести оценку прочности пробуриваемого грунта. Так, например, процесс отбора пробы станцией «Луна-20» показал, что, несмотря на меньшую плотность грунта в месте бурения и однородность структуры доставленного на Землю керна, грунт на поверхности Луны выявил неоднородность своей прочности.

Одновременно с отбором образцов лунного грунта советскими автоматическими станциями привезли на Землю образцы лунных пород американские космонавты.

Наряду с фундаментальными исследованиями состава, происхождения и эволюции Луны доставленные образцы лунного грунта используются и для изучения их физико-механических характеристик.

Поскольку физико-механические характеристики обусловливаются не только строением покрова Луны но и условиями, в которых он находится, их изучение необходимо было провести в специальных установках обеспечивающих изоляцию от земной атмосферы и создание при испытаниях условий, моделирующих лунную среду.

Для изучения физико-механических свойств лунного грунта использовалась специальная приемная камера исследовательский бокс и универсальная камера ТОР-1 (рис. 19), позволившие определить комплекс характеристик грунта. В качестве примера на рис. 20 приведены результаты испытаний на пенетрацию лунного грунта и земных грунтов-аналогов.

Рис. 19. Общий вид измерительных узлов вакуумной универсальной установки ТОР-1, используемой для комплексных наземных измерений физико-механических характеристик лунного грунта. Стрелкой указано место, куда помещается образец грунта

Рис. 20. Изменение сопротивления пенетрации (Rn) лунного грунта и земных грунтов-аналогов в зависимости от изменения их коэффициента пористости (е):

1 — лунный грунт; 2 — андезито-базальтовый вулканический песок; 3 — молотый базальт; Не 20° — испытания в атмосфере гелия при нормальном давлении и температуре + 20 °C; Не 140° — испытания в атмосфере гелия при нормальном давлении и температуре + 140 °C; Vac — испытания в вакууме

Современное представление о реголите. Весь лунный шар покрыт рыхлым слоем раздробленных горных пород. Этот слой назван реголитом. Он сформировался в результате переработки коренных горных пород внешними (т. е. экзогенными) факторами. Главным экзогенным факторам, ответственным за формирование реголита, является метеоритная бомбардировка. Установлено, что в среднем масса твердых межпланетных частиц выпадающих на поверхность Луны, составляет 4 · 10–14 г/см² · с. Метеоритная бомбардировка, сопровождающаяся ударно-взрывными явлениями, взрыхляет и перемешивает грунт Луны по глубине и по площади одновременно происходят физико-химические превращения частиц грунта, их переплавление, спекание, уплотнение. Уплотнению и спеканию способствует высокий вакуум, существующий у поверхности Луны.

На лунную поверхность оказывают влияние солнечная и галактическая корпускулярная радиация, а также солнечное электромагнитное излучение.

По современным представлениям Луна находится свыше 2–3 млрд. лет в тектоническом покое и, по-видимому, нет активных внутренних (эндогенных) факторов, которые могли бы существенно влиять на условия формирования и существования реголита. Поэтому равномерное действие на поверхность экзогенных факторов обусловило похожее строение и структуру реголита по всему лунному шару и в целом усреднило физико-механические характеристики лунного грунта. Это подтверждено прямыми экспериментами, проведенными на поверхности Луны. Наблюдавшееся различие в составе и цвете морского и материкового реголита связано с различием пород, их слагающих.

В последние годы установлено, что материковые районы Луны сложены в основном из анортозитов (основной породообразующий минерал — полевой шпат). Морские породы сложены преимущественно базальтовыми породами (их основные минералы: плагиоклазы, пироксены и ильменит). По своей химической природе и те и другие породы являются алюмосиликатами, но в базальте больше железа и магния, а в анортозитах — кальция и магния. Более темный цвет базальтов обусловливает и относительно темный цвет лунных морей. Толщина слоя реголита связана с временем возникновения, с размером, формой и количеством метеоритных кратеров, которые, по существу, перекрывают всю поверхность Луны.

Слой реголита может иметь толщину от нескольких сантиметров до десятков метров. Как правило, толщина слоя реголита увеличивается в местных понижениях и снижается на склонах кратеров и на вершинах гор. В отдельных случаях дно кратера может быть почти свободно от реголита.

Гранулометрический состав (т. е. количество частиц различного размера в определенном объеме) обусловливается действием противоположно направленных процессов, связанных с метеоритной бомбардировкой, процессов дробления горных пород и агрегации раздробленных частиц.

На начальных стадиях формирования реголита ведущими являются процессы дробления. По мере уменьшения размеров частиц возрастает роль процессов агрегации, сопровождающих метеоритные удары: спекания, сплавления и переплавления. В определенный период наступает равновесное состояние гранулометрического состава. Установлено, что для мелкозернистой части реголита (с частицами менее 1 мм) средний медианный размер частиц равен примерно 60 мкм (т. е. 50 % частиц имеют размер более 60 мкм и 50 % — меньше 60 мкм).

Этот размер частиц можно считать соответствующим разновесному состоянию реголита.

Количество обломков горных пород определяется геологической ситуацией. Количество и размеры камней возрастают вблизи относительно более крупных кратеров, имеющих более свежий вид, т. е. образованных позднее других.

В составе реголита можно выделить несколько типов частиц, отражающих характер и степень экзогенной переработки исходного материала.

Мелкообломочный материал (размерами менее 1 см) состоит из остроугольных обломков первичных пород, зерен минералов и стекол. Содержание этих частиц может меняться от 20 до 80 % и уменьшается с возрастанием зрелости, т. е. времени формирования реголита и с увеличением размера фракции. Много брекчий, т. е. вторичных литифицированных (окаменевших) спекшихся и ошлакованных частиц, которые обладают обычно причудливой неправильной формой. Брекчии образуются при быстром уплотнении частиц под действием ударно-взрывных явлений и при медленном уплотнении в вакууме под действием вышележащих слоев грунта. Характерным типом частиц являются также агглютинаты — спекшиеся агрегаты сложной неправильной формы. Подобно брекчиям они содержат фрагменты кристаллических пород и зерна минералов, но отличаются заметно большим содержанием стекла и высокой степенью оплавления поверхности.

Всегда в реголите встречаются частицы вторичного стекла, содержание которых увеличивается по мере созревания реголита. Многие частицы вторичного стекла имеют форму, близкую к сферической, что указывает на их формирование в результате застывания расплава в полете, т. е. они результат разбрызгивания и затвердевания расплава, возникающего в центральной зоне метеоритных взрывов. Эти частицы являются продуктом наиболее интенсивной стадии экзогенной переработки реголита.

Встречаются фрагменты метеоритов, в основном это кусочки никелистого железа.

Роль метеоритной обработки подтверждается образованием многочисленных микрократеров на поверхности отдельных частиц реголита (рис. 21).

Рис. 21. Следы ударов микрометеоритов на частицах реголита (большое увеличение)

По составу и форме частиц реголит является неоднородной структурной системой, которую по существующей классификации грунтов имеют среднезернистые пылевато-песчаные грунты. В то же время по наблюдавшимся визуальным признакам реголит обладает зернисто-агрегированной структурой. Для таких структур характерна та связность, которую обнаружил лунный грунт, а также склонность частиц реголита к объединению в агрегаты.

Для реголита характерна очень большая рыхлость. Он даже в уплотненном состоянии обладает пористостью, свойственной самым рыхлым земным грунтам. Средняя пористость реголита в верхнем слое толщиной 15 см около 50 %.

Объемный вес реголита существенно изменяется с глубиной. В тонком верхнем слое плотность равна 0,8–1 г/см³, а на глубине 50 см — до 2 г/см³. Плотность реголита является важным фактором, обусловившим его прочность и деформируемость. Так, несущая способность реголита увеличивается с увеличением плотности и ростом глубины (рис. 22). При нагружении лунный грунт резко и сильно изменяет свой первоначальный объем.

Рис. 22. Характер изменения несущей способности реголита с глубиной.

Проведенные исследования не обнаружили зависимости плотности от геологической ситуации и при переходе с моря на материк. Однако эксперименты на протяженных трассах, выполненные на «Луноходах», показали существенную изменчивость несущей способности реголита. При измерении прочности одного слоя грунта его несущая способность изменялась от 1,5 до 0,15 кгс/см². В большинстве случаев прочность была связана с характером рельефа местности, однако иногда она менялась неожиданно и на равнинных участках.

По своим гранулометрическим и морфологическим характеристикам лунный реголит не имеет аналогов среди природных земных образований, как правило, существенно более однородных. Однако механические свойства реголита могут моделироваться с использованием специально измельченных и пересортированных земных грунтов-аналогов.