Земля – космос – Луна

СТРУКТУРА И СТРОЕНИЕ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Представление о строении поверхности Луны в целом было впервые получено в октябре 1959 года после фотографирования невидимой с Земли стороны Луны автоматической научной станцией «Луна-3». Последующие съемки лунной поверхности космическими аппаратами «Зонд-3», «Зонд-6», «Зонд-7», «Зонд-8», Луна-12» и «Лунар Орбитер» позволили достаточно полно понять основные глобальные особенности лунного рельефа и строения всей поверхности Луны.

Обратная сторона Луны характерна резким преобладанием материковых районов (доля «морей» составляет лишь 3 процента общей площади поверхности Луны) в отличие от видимой стороны, на которой лунные моря занимают около 30 процентов всей лунной поверхности. Это обстоятельство определяет заметную асимметрию лунного шара, так как «морские» районы (области затопления лавой) отличаются от материковых сравнительно ровной поверхностью, небольшим количеством кратеров и меньшим коэффициентом отражения видимого света.

На обратной стороне Луны обнаружены образования нового типа, названные талассоидами (мореподобными), имеющие размеры, близкие к размерам лунных морей. Однако в отличие от морских районов дно талассоидов не имеет темного тона и представляет собой по своему характеру типичную материковую поверхность.

Маломасштабная структура лунной поверхности – лишь первый объект в изучении Луны; более глубокое ее исследование могло быть продолжено с доставкой научной аппаратуры непосредственно на наш естественный спутник.

Мягкая посадка на поверхность Луны в морском районе первого космического аппарата – автоматической научной станции «Луна-9» – разрешила многолетние сомнения о характере тонкой структуры наружных слоев лунной поверхности. Что они представляют собой: мощный пласт пыли или пемзообразное вещество? Достаточна ли их прочность, чтобы выдержать вес автоматической станции?

Успешная посадка и надежное функционирование автоматических станций «Луна-9», «Луна-13», «Луна-16», «Луна-17», «Луна-20», аппаратов типа «Сервейер» и кораблей «Аполлон» подтвердили самые оптимистические предположения: поверхностные слои Луны обладают достаточной прочностью; полученные материалы позволяют составить представление о микроструктуре наружных лунных пород.

Крупномасштабные панорамные изображения лунного ландшафта были получены впервые 4 февраля 1966 года с помощью телевизионной системы автоматической станции «Луна-9».

Телевизионная камера (рис. 47) была установлена в верхней части научной лунной станции; нижняя часть камеры размещалась в герметическом корпусе станции; выступающая поверхность камеры позолочена для обеспечения необходимого теплового режима; сверху камера прикрыта теплоизолирующим экраном, защищающим ее от нагрева Солнцем.

Для передачи лунных панорам была выбрана сканирующая оптико-механическая система, которая, хоть и не может передавать динамические изображения (практически отсутствующие на Луне), выгодно отличается от электронных телесистем высокой надежностью и небольшими габаритами, незначительной массой, малым энергопотреблением. Принцип работы телевизионной камеры виден из ее схемы, приведенной на рис. 48.

Передача изображения на светоприемник осуществляется устройством из зеркала, кулачка, объектива и диафрагмы: зеркало совершает качание по вертикали (строчная развертка) и вращение по горизонтали (кадровая развертка).

Вертикальный угол обзора камеры составляет 29 градусов, что с учетом предусмотренного конструкцией станции наклона на 16 градусов к плоскости посадки обеспечивает получение как изображения микрорельефа вблизи станции, так и общего ландшафта до лунного горизонта. Для получения качественных изображений в широком диапазоне освещенности лунной поверхности – от 80 до 150 000 люксов – телекамера оборудована системой автоматической регулировки чувствительности камеры.

Автоматической станцией «Луна-9» было передано (при высоте Солнца над лунным горизонтом в 7, 14 и 27 градусов) три полных панорамных изображения и два фрагмента лунной поверхности вокруг станции на расстояниях от телекамеры в пределах от 1,5 метра и до горизонта; на рис. 49 приведен один из фрагментов третьей панорамы. После получения второй панорамы наклон станции изменился с 16 градусов 30 минут до 22 градусов 40 минут; при этом удалось получить стереоскопические пары снимков и точнее понять рельеф поверхности.

Рис. 47. Телевизионная камера автоматической станции «Луна-9»

Рис. 48. Схема телевизионной камеры автоматической станции «Луна-9»:

1 – светоприемник; 2 – диафрагма; 3 – объектив; 4 – зеркало; 5 – кулачок; 6 – двигатель

Станция «Луна-9» совершила посадку на западной окраине Океана Бурь в районе кратеров Кавальери и Гевелий; место посадки представляет собой область, промежуточную между «материковой» и «морской».

Рис. 49. Фрагмент третьей панорамы лунной поверхности, полученной станцией «Луна-9»

По характеру горизонталей, построенных на основании полученных панорам, можно предположить, что станция находится на склоне кратера диаметром около 15 метров и глубиной не более одного метра.

Поверхность в районе посадки станции достаточно ровная и плавная; поверхностный слой имеет губкообразную структуру; пылевого или сыпучего грунта не обнаружено.

На основании изучения изображений, переданных станцией «Луна-9», можно отметить три характерных типа мелких деталей строения лунной поверхности; лунки (кратеры), камни и линейные структуры. На одном квадратном метре поверхности находится в среднем по три камня размерами 2 – 25 сантиметров и по четыре лунки диаметром от 5 до 25 сантиметров; чем крупнее камень или лунка, тем их меньше. Элементы линейных структур располагаются по линиям, близким к прямым, и создают лучистые и другие образования в результате их пересечения.

Автоматическая станция «Луна-13» совершила мягкую посадку на Луну в районе Океана Бурь на расстоянии около 400 километров от станции «Луна-9»; однако в отличие от последней станция «Луна-13» опустилась на равнину характерно «морского» типа.

Переданные станцией «Луна-13» круговые панорамные изображения лунной поверхности вокруг места прилунения показывают, что структура лунного грунта близка к структуре грунта в районе посадки автоматических станций «Луна-9» и «Сервейер-1» (расположенном вблизи кратера Флеметид).

В обследованном районе подтвердилось предположение об отсутствии сколько-нибудь существенного пылевого слоя, но были зафиксированы сильная микроизрытость поверхности, наличие многочисленных образований кра-терного типа и значительного количества камней. Так, например, на площади 14,8 квадратного метра в районе посадки станции «Луна-13» обнаружено 320 камней (размерами от 20 до 200 миллиметров).

Снимки лунной поверхности (рис. 49 и 50), полученные автоматическими станциями «Луна-9» и «Сервейер», с примерно одинаковой разрешающей способностью позволили сделать выводы о некоторых общих свойствах лунного рельефа, типичных образованиях мелких деталей и микроструктуре поверхностного слоя для морских районов. В частности, они показали, что рельеф лунной поверхности (за исключением отдельных горных районов) более плавный, чем представлялся нам ранее по данным телескопических наблюдений.

Рис. 50. Снимок лунной поверхности, полученный аппаратом «Сервейер-1»

Интересной особенностью лунного рельефа является отмечаемое почти на всех изображениях, переданных с Луны, чрезмерное возвышение отдельных камней и некоторых элементов лунного грунта над поверхностью. Создается впечатление, что вокруг их основания более податливое вещество было убрано чьей-то аккуратной рукой. Как показывают расчеты, такой «рукой» могут являться микрометеориты, при ударе которых наблюдается отрицательный баланс массы. А именно, масса вещества, выбрасываемая с Луны (при взрыве метеорита от удара) с° скоростями, достаточными для преодоления лунного притяжения, превышает массу упавшего метеорита. Уносятся преимущественно наиболее мягкие породы; более твердые начинают обнажаться и выступать над поверхностью.

Обширный материал для понимания структуры лунного грунта и строения лунной поверхности дали также полеты на Луну пилотируемых кораблей «Аполлон» и автоматических научных станций «Луна-16» и «Луна-17». Были подтверждены мелкозернистый характер поверхностных лунных пород, некоторое увеличение их прочности и уменьшение пористости с углублением в грунт, изменение структуры в зависимости от рельефа. Так, например, экипаж корабля «Аполлон-11» отметил различную глубину погружения ног в поверхностный слой грунта: на горизонтальных площадках – в пределах 0,6 – 1,2 сантиметра; на краях кратеров 5 – 10 сантиметров; на склонах кратеров 15 – 18 сантиметров.

Колонка лунного грунта до глубины 35 сантиметров (по данным изучения образцов, доставленных на Землю станцией «Луна-16») представляет собой разнозернистый материал темного цвета. Структура грунта, тонкозернистая у поверхности, с глубиной, в нижней части колонки, становится крупнозернистой; средняя величина частиц размерами менее 1 миллиметра соответственно составляет 70 и 120 микрон. Ниже колонки в месте взятия образцов идет твердая горная порода.

Классификацию лунных пород, доставленных станцией «Луна-16», академик А. П. Виноградов предложил провести по следующим типам.

Базальтовые породы двух видов (определяемых условиями застывания базальтового расплава) – мелкозернистые и крупнокристаллические, составляющие четвертую часть всех крупнозернистых фракций.

Брекчии – сцементированные породы, образовавшиеся в результате уплотнения мелкораздробленного материала; многие брекчии намагничены; составляют до 40 процентов от общего числа частиц.

Спеки – спекшиеся частицы, образующие агрегаты сложной ветвистой структуры; их содержание в лунном грунте доходит до 20 процентов.

Стекла, остеклованные и ошлакованные частицы – пузыристое или гладкое остекловывание темных тонов (происходящее при очень быстром нагреве холодных ча. стиц); остекловано (полностью или частично) до половины лунных частиц.

Полевошпатные породы – белые поликристаллические зерна, содержащиеся в лунном грунте в незначительном количестве; застывшие капли различного цвета и формы, часто пустотелые (отмечено увеличение их содержания в мелких фракциях). Их образование происходит при температурах, превышающих температуру плавления горных пород и метеоритов.

Частицы металлического железа – изредка в виде отдельных осколков (очевидно, железных метеоритов) и мелких включений в брекчии и спеки.

Лунный грунт, доставленный на Землю станцией «Луна-20», в отличие от грунта в месте посадки станции «Луна-16» имеет более светлые и крупные частицы, в нем преобладают кристаллические породы с четкими гранями скола и сравнительно мало ошлакованных брекчий и сфероидов.

Качественно новым этапом в изучении строения и структуры лунной поверхности явились исследования подвижной комплексной научной лаборатории «Луноход-1» станции «Луна-17», которые дали громадный объем новой научной информации о различных участках целого района Луны в Море Дождей.

Создание самоходной лаборатории позволило сделать следующий шаг в изучении Луны – перейти к долговременному и детальному обследованию больших площадей лунной поверхности, характеристик лунных пород и окололунного пространства, а также использовать Луну как базу для астрономических наблюдений окружающего мира. Этот этап закономерно подготовлен исследованиями всех предыдущих автоматических лунных станций, которые позволили понять основные глобальные характеристики Луны и детальные параметры лунного грунта в отдельных точках.

Самоходный аппарат «Луноход-1» (наряду с другими "следованиями) провел изучение рельефа, строения и структуры наружного покрова Луны на значительной площади.

За период своего функционирования на Луне луноход прошел в общей сложности 10 540 метров пути, при этом им было преодолено несколько десятков кратеров разных по размерам и рельефу.

На всем пути следования луноход систематически передавал на Землю панорамы лунной поверхности, дающие картину ее строения; колея лунохода позволяет оценить и структуру грунта Луны (рис. 51) – по характеру деформации внешних слоев породы.

Во время передвижения лунохода непрерывно замерялись его крен и дифферент. Наибольшие наклоны лунной поверхности на склонах кратеров, преодолеваемые луноходом, достигали 25 градусов; кратеры с большими углами склонов луноход обходил.

По трассе движения лунохода неоднократно встречались россыпи камней размером до 15 сантиметров и более; их максимальная концентрация наблюдалась вокруг кратеров – очевидно выбросом из кратеров и определяется существование большинства скоплений камней.

Обнаружен новый тип лунных образований – террасы, возвышающиеся небольшими уступами над поверхностью; возможно, что эти сложные по профилю складки образовались при застывании излившейся из недр лавы.

Величина и рельеф района, обследованного луноходом за первые три лунных дня, хорошо иллюстрируются топографической схемой его движения (рис. 52). На схеме показаны характерные лунные образования по пути следования лунохода и пункты, в которых производился химический анализ грунта; топографическая съемка охватывает полосу шириной до 150 метров и протяженностью 3600 метров.

Вообще структура поверхности планет и их крупных спутников, лишенных плотной атмосферы, по мнению некоторых ученых, должна иметь много общего. Эта общность определяется тем обстоятельством, что основными формирующими рельеф факторами являются космические и эндогенные факторы, роль воды, а также эрозии – минимальна (в отличие от формирования рельефа на Земле). Такая точка зрения получила подтверждение после фотографирования Марса космическим аппаратом «Маринер-4»: поверхность Марса оказалась изрытой многочисленными кратерами и образованиями типа лунных морей.

Таким образом, изучение нашей ближайшей небесной соседки Луны может пролить свет на строение и структуру поверхности Меркурия и Марса, а также таких спутников некоторых планет Солнечной системы как Ганимед, Каллиосто, Ио, Европа, Тритон, Титан.

Рис. 51. Часть панорамы лунной поверхности, полученной самоходным аппаратом «Луноход-1»; видна колея, проложенная им при движении по лунной поверхности

Рис. 52. Схема передвижения «Лунохода-1» по лунной поверхности за первые 65 суток его функционирования на Луне

Естественно, что наибольший интерес представляют спутники Юпитера и Сатурна, так как изучение этих планет пилотируемыми аппаратами будет, очевидно, включать в себя посадку на их спутники. Посадка на эти планеты затруднена значительной силой тяжести у их поверхности (на Юпитере она в 2,5 раза превышает земную), а может быть и вообще неосуществима – если Юпитер и Сатурн не имеют твердой поверхности.