Геологическое строение луны

Геологические строение Луны

Введение

Луна, единственный спутник Земли, очень важный объект сравнительно - планетологических исследований, особенно благодаря своей уже довольно высокой степени изученности.  Луна уже более 1 млрд. лет является мертвой планетой - на ней не протекают эндогенные процессы; здесь отсутствует атмосфера, гидросфера и биосфера. Луна обладает медленным осевым вращением (27,3 земных суток), температура ее поверхности колеблется от +130 °С на освещенной Солнцем поверхности до - 170 °С на противоположной. В настоящее время она имеет лишь очень слабое магнитное поле, хотя есть признаки, что оно было значительно сильнее в прошлом.

Геологическое строение Луны - это описание распространения и соотношения геологических тел в оболочке и на поверхности Луны, а также создаваемых ими поверхностных форм.

Но исследовать Луну не так просто, потому что основным материалом при изучении служат только фотографии ее поверхности с орбитальных аппаратов и геолого-морфологические карты. Эти данные дополняются сборами образцов в нескольких местах посадок и далеко не полными сведениями о сейсмике, гравитационных аномалиях и геохимии поверхности по дистанционным измерениям.   
 Основными структурами на Луне являются материки и моря, ударные кратеры и бассейны, вулканические образования. Материки - светлые возвышенности, покрытые кратерами и структурами лунных бассейнов. Они занимают около 84% всей поверхности и возвышаются в среднем на 3-4 км над впадинами с темными морями. Особенности поверхностных образований планет, как и рельеф, во многом зависят от атмосферы и гидросферы. Наличие их у Земли, а также существование на ней и биосферы ставят ее в особое положение среди планет и обусловливают широкое развитие на поверхности (более 2/3 площади) осадочных пород. Луна лишена этих образований, зато огромные пространства здесь заняты магматическими породами и реголитом.

Поскольку центр масс Луны сдвинут в сторону Земли от ее геометрического центра, то можно сказать, что материки обратной стороны Луны на 4-6 км выше материков видимой стороны. В целом материки сложены породами габбро-анортозитового ряда.

Общая характеристика Луны

Луна - единственный естественный спутник Земли. Из всех небесных тел Луна не только ближе других к Земле, но она и изучена лучше всех остальных космических объектов. На Луне побывали люди, там работали разные приборы, в том числе и сейсмографы. Сведения о Луне настолько обильны, что ей посвящено много книг. Луна была известна с доисторических времен. Это второй самый яркий объект в небе после Солнца. Поскольку Луна обращается по орбите вокруг Земли раз в месяц, угол между Землей, Луной и Солнцем изменяется; мы наблюдаем это явление как цикл Лунных фаз.

Благодаря ее размеру и составу Луну иногда относят к планетам земной группы наряду с Меркурием, Венерой, Землей и Марсом. Луна очень похожа на Меркурий, хотя и уступает ему в размерах и массе. Радиус Луны составляет 1738 км (¼земного радиуса), масса в 81 раз меньше массы земного шара, ускорение силы тяжести примерно в 6 раз меньше земного. Тем не менее, по отношению к Земле Луна - очень крупный спутник и потому систему Земля - Луна нередко называют двойной планетой.

Впервые Луну посетил Советский космический корабль «Луна - 2» в 1959 году. Это единственное неземное тело, на котором побывал человек. Первая посадка произошла 20 июля 1969 года; последняя - в декабре 1972 года.

Гравитационные силы между Землей и Луной вызывают некоторые интересные эффекты. Наиболее очевидный из них - морские приливы и отливы. Гравитационное притяжение Луны более сильное на той стороне Земли, которая повернута к Луне, и более слабое на противоположной стороне. Поэтому поверхность Земли, и особенно океаны, вытягиваются по направлению к Луне.

Хотя Луна и вращается вокруг своей оси, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Дело в том, что Луна совершает один оборот вокруг своей оси за то же самое время (27.3 суток), что и один оборот вокруг Земли. А поскольку направление обоих вращений совпадает, противоположную ее сторону с Земли увидеть невозможно. Впервые астрономам удалось заглянуть на обратную сторону Луны в 1959 г., когда советская станция "Луна-3" пролетела над ней и сфотографировала невидимую с Земли часть ее поверхности (приложение 1).

Из-за небольшой силы тяжести Луна лишена воды и атмосферы, следовательно, не может быть на ней и ветра. Там постоянно безоблачное черное небо. Всё это обусловливает резкие температурные контрасты на ее поверхности. Температура на лунном экваторе изменяется в течение суток на 300 °С: в полдень равна +130°С, а через 14 - 14,75 наших суток, т. е. в полночь, достигает - 170 °С. В полярных областях температура всегда остается низкой. Почти столь же резки перепады температур на солнце и в тени. Ее поверхности беспрепятственно достигают разрушающие солнечные и космические лучи. Следовательно, современное выветривание на Луне сильно отличается от земного.

Лунная поверхность в очень малой степени подвержена изменениям. Так как на Луне нет ни воды, ни воздуха, ее поверхность не размывается и не выветривается. Эпоха активного выпадения метеоритов осталась далеко в прошлом: два миллиарда лет назад. Есть два типа лунной поверхности: морской и материковый. Морями называются темные участки видимого диска, материками - светлые (ПРИЛОЖЕНИЕ 2).

Во времена, когда наш спутник стал остывать после эпохи частично расплавленного состояния, внешние слои Луны образовали тонкую кору, которую могли пробивать крупные метеориты. Появлявшиеся при таких соударениях углубления (иногда в сотни и тысячи километров) заполняла лава, выходившая на поверхность сквозь разрушенные участки коры. Застывая, лава создавала относительно гладкий морской тип поверхности. Здесь меньше кратеров, отражательная способность (альбедо) морских участков не велика (лунные моря составляют приблизительно 16% всей поверхности Луны). Большая часть поверхности покрыта реголитом - смесью тонкой пыли и скалистых обломков, полученных из столкновений с метеорами. По непонятной причине лунные моря сконцентрированы на обращенной к Земле стороне.

Материковые участки более светлы, и они настолько изобилуют кратерами, что последние, порой, наслаиваются друг на друга. Ранее существовала гипотеза о вулканическом происхождении кратеров. Но сегодня верх одерживает метеоритная теория. Крупные метеориты, врезаясь в лунную поверхность, выбрасывали вверх огромное количество вещества, части которого могли вовсе преодолеть лунное притяжение. Выброшенные породы разлетались, порой, на десятки и сотни километров, образовывая так называемые лучи. В центре кратера обычно возникала горка, а сам кратер создавался отброшенным веществом, которое образовывало вал-окружность. Наиболее крупные из лунных кратеров имеют сотни километров в диаметре, самые высокие вершины возносятся вверх до 8 км. На Луне также найдены горы, расщелины. Эти виды рельефа возникли, по-видимому, при застывании Луны, когда лунная кора была подвижной. Вызывать эти движения могли как внутренние процессы, так и метеоритная бомбардировка. Известны многочисленные трещины и крупные сбросы.

На Луне сохранилось немало следов прошлой бурной вулканической деятельности. Иногда газы извергаются из лунных недр и сегодня. Одни из лунных кратеров имеют метеоритное происхождение, другие вулканическое. Но в целом Луна - мертвый мир, где любые изменения - большая редкость.

Луна имеет асимметричное концентрически-сферическое внутреннее строение и состоит из ядра, мантии и коры. Толщина коры Луны в среднем составляет 68 км, изменяясь от 0 км под лунным морем Crisium до 107 км в северной части кратера Королева на обратной стороне. Под корой до глубины 1000 км расположена мантия и силикатное, почти твердое ядро. Оно нагрето до температуры чуть выше 1000 °С, а потому из недр Луны наружу просачивается тепло, так что на глубине 40 км температура лунной коры достигает 300 °С. В отличие от мантии Земли мантия Луны только частично расплавленная. Любопытно, что центр масс Луны располагается примерно в 2 км от геометрического центра в направлении к Земле. На той стороне, которая повернута к Земле, кора более тонкая.

Анализ поверхностных пород Луны показал, что они похожи на земные породы типа базальтов. Правда, в них наблюдается избыток некоторых тяжелых металлов, например хрома и титана. Любопытны лунные масконы - области лунной коры с повышенной плотностью. Они характерны местными гравитационными аномалиями.

Большинство кратеров на обращенной к нам стороне названо по имени знаменитых людей в истории науки, таких как Коперник и Птолемей. Особенности ландшафта на обратной стороне имеют более современные названия типа Аполлон, Гагарин и Королев - в основном это русские названия, так как первые снимки были сделаны Советским кораблем «Луна-3». В дополнение к этим особенностям на обратной стороне Луны расположен огромный бассейн кратеров величиной 2250 км в диаметре и 12 км глубиной - это самый большой бассейн, появившийся в результате столкновения, в Солнечной системе, и Orientale в западной части видимой стороны (его можно видеть с Земли), который является отличным примером многокольцевого кратера. У Луны почти отсутствует магнитное поле (очень слабое) и, следовательно, магнитосфера. Однако по размерам Луна вполне могла бы считаться полноценной планетой, если бы она обращалась вокруг Солнца. Изучению внутреннего строения Луны сильно помогают редкие «лунотрясения», очаги которых располагаются на глубине от 100 до 1100 км. Все это доказывает, что тектоническая деятельность на Луне очень слаба, однако полностью не прекратилась. Есть факты, говорящие о том, что в прошлом Луна обладала магнитным полем и была вулканически и тектонически гораздо более активной. Однако жизни на Луне никогда не было.

Не имеющая ни атмосферы, ни магнитного поля, поверхность Луны подвержена непосредственному воздействию солнечного ветра. В течение 4 миллиардов лет водородные ионы из солнечного ветра внедрялись в реголит Луны. Таким образом, образцы реголита, доставленные Аполлоном, оказались очень ценными для исследования солнечного ветра. Этот лунный водород также может быть использован когда-нибудь как ракетное топливо.

Скоротечные Лунные явления

Эволюционисты традиционно полагали, что Луна - холодное, "мертвое" тело, которое выглядит сегодня точно так же, как, скажем, три миллиарда лет назад! Однако ширится ряд доказательств, опровергающих эту точку зрения - список скоротечных лунных явлений (TLP - transient lunar phenomena), таких, как лунотрясения, потоки лавы, выделения газов и т.д. постоянно растет, что свидетельствует о геологической активности современной Луны. Можно предположить, что Луна еще не достигла теплового равновесия и продолжает реагировать на приливные напряжения. К сожалению, до последнего времени единственным документальным доказательством этой гипотезы являлась спектрограмма TLP в лунном кратере Альфонс, сделанная в 1958 году российским астрономом Н.А. Козыревым. 23 мая 1985 года появилось новое потрясающее доказательство: Георгий Коловос (университет Фессалоники, Греция) зафиксировал яркое пятно в районе кратера Прокл. После нескольких лет тщательнейшего анализа вероятность дефекта фотографии или вмешательства некоего атмосферного явления была полностью исключена - снимок Коловоса показывает выделение газа из-под лунной коры, сопровождающееся электрическим разрядом, который и вызвал свечение. Защитники теории TLP реабилитированы; Луна оказалась вовсе не такой инертной, как считалось в прежние годы (Moore, et al., 1989; Moore, 1990, p.10). Малфингер (Mulfinger) в книге Уиткомба и Де Янга (Whitcomb and DeYoung, 1978, p. 105-27) документально подтверждает многие другие сведения о TLP. Эти интереснейшие данные убедительно подтверждают креационную модель молодой Луны. Будь Луне действительно миллиарды лет, она и вправду была бы сейчас "холодной и мертвой".

Поверхность Луны постоянно разрушается и преобразовывается, подвергаясь тепловым деформациям и воздействиям микрометеорных тел. В соответствии с эволюционной теорией, в ранний период существования Солнечной системы пыли было гораздо больше, чем сейчас. На Земле пыль смывается в моря, но на Луне нет ни воды, ни атмосферы, поэтому пыль скапливается в понижениях. За 4,6 миллиарда лет на Луне - особенно на материковых ее участках - должно было скопиться неимоверное количество пыли. Британский астроном Р.А.Литтлтон (Lyttleton, 1956) предполагал, что слой лунной пыли имеет толщину в несколько километров! Гоулд (Gold, 1955) также предполагал, что на плоских лунных равнинах чрезвычайно много пыли. Шумейкер (Shoemaker, 1965) предсказывал, что слой пыли на Луне должен измеряться десятками метров.

Однако в 1965 году состоялась конференция по вопросу о структуре поверхности Луны. На ней, в частности, было сделано следующее заключение: ранние фотографии Рейнджера и исследования оптических свойств рассеянного солнечного света, отраженного поверхностью Луны, показывают, что предсказания о глубине слоя лунной пыли не сбылись! Вопрос окончательно прояснился с появлением на Луне первых космический станций, и особенно - когда на лунную поверхность впервые ступила нога человека. Выяснилось, что слой пыли несравненно тоньше, чем уверяли ученые-эволюционисты - всего 6,5 см! Несмотря на отчаянные попытки пересмотреть представления о скорости отложения пыли или найти механизмы ее уплотнения, толщина слоя пыли на Луне остается весомым свидетельством в пользу молодого возраста Луны.

Для исследования строения Луны использовались сейсмические методы. Астронавты экспедиций «Аполлон» установили на Луне четыре сейсмометра, которые использовались для изучения распространения сейсмических волн, вызванных падением отработанных ступеней ракеты Сатурн S4B и повышением лунных модулей в точно известных местах, а также ударами метеоритов о лунную поверхность и лунотрясениями, источники которых находятся глубоко в недрах Луны.

Скорость распространения продольных сейсмических волн увеличивается от 4 км/с в нескольких километрах от поверхности до 6 км/с на глубине 20 км, где она скачком возрастает до 6,7 км/с. Ниже 20 км скорость остается почти постоянной, и только на глубине 55 км увеличивается до 6,8 км/с. Между 55 и 60 км происходит сильное возрастание скорости от 6,8 до 8,0 км/с; возможно на этой глубине находится основание коры и начинается мантия Луны.

 
 В настоящее время картина этого строения разработана довольно детально. Принято считать, что недра Луны можно разделить на пять слоев.

Поверхностный слой - лунная кора - имеет состав, близкий к составу "материков". Исследование силы тяжести в сочетании с топографическими измерениями показало, что кора Луны в целом находится в состоянии, близком к изостатическому равновесию; исключением являются масконы (скопления избыточных масс), связанные с круглыми морскими бассейнами. Толщина коры сильно варьирует: от 30 - 35 км под масконами до 90 - 110 км в материковых областях обратной стороны Луны. Средняя мощность коры больше на обратной стороне, чем на видимой, что вызывает смещение центра массы Луны на 2,5 км от геометрического центра.

Под корой располагается мантия. Распределение скоростей сейсмических волн в мантии определенно указывает на ее химическую зональность. Гоинс (Goins, The deep seismic structure of the moon, 1977, p. 471 - 486) выделяет верхнюю мантию до глубины примерно 500 км, характеризующуюся постоянными скоростями Р и S сейсмических волн 8,0 и 4,6 км/с. Под этим слоем Р и S скачкообразно уменьшаются до 7,7 и, соответственно, 3,8 км/с. Это снижение скоростей интерпретируется как переход к нижней мантии, которая тоже характеризуется постоянными скоростями, по крайней мере до глубины 1000 км. Гоинс считает, что оценка скоростей распространения сейсмических волн в нижней мантии весьма неопределенна (как показано на рис. 3.1) и что граница между верхней и нижней мантией скорее всего не резкая, а постепенная. Следует заметить, что относительная неопределенность в оценке скорости S сейсмических волн значительно меньше, чем Р. Накамура (Nakamura, Deep lunar interior inferred from recent seismic data, 1974, p. 137 - 140) тоже предполагает, что мантия Луны имеет сложную структуру, но границу между верхней и нижней мантией он помещает на глубине между 300 и 400 км и считает, что она характеризуется постепенным изменением скорости распространения сейсмических волн. В верхней мантии между 60 и 300 км скорость Р волн падает с 8,1 до 7,9 км/с, a S - с 4,7 до 4,4 км/с. Между 300 км и 400 км градиент скорости S волн становится круче и достигает 4,15 км/с на глубине 400 км. Отрицательное значение градиента сохраняется до глубины 800 км (3,85 км/с). Скорость распространения продольных волн на глубине 300 - 800 км почти постоянна и равняется 7,9 км/с.