Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

нии лунного месяца. Различные положения Луны относительно Земли и Солнца, называемые ее фазами, показаны на рис. 15.4. Фаза, соответствующая положению /, при котором Луна нахо­ дится на одной прямой с Землей и Солнцем, но между ними (в соединении с Солнцем), называется новолунием. В этой фазе сторона Луны, обращенная к Земле, не освещена лучами Солнца и остается невидимой для наблюдателя. С новолуния начинается лунный месяц. Промежуток времени, прошедший от начала но­ волуния, определяет возраст Луны. Через полмесяца Луна вновь оказывается на одной прямой с Солнцем и Землей, но дальше от Солнца, чем Земля. Такое положение Луны, называемое противо­ стоянием, соответствует фазе полнолуния. В этой фазе с Земли в течение всей ночи виден полный диск Луны. Фазы Луны, нахо­ дящейся в положениях 2 и 4, называются соответственно первой и последней четвертями или восточной или западной квадрату­ рами. В фазе первой четверти (возраст Луны — 'Д лунного меся­ ца) наблюдатель видит правую половину лунного диска, в фазе последней четверти (возраст — 3Д лунного месяца)—левую поло­ вину. Линия, разграничивающая освещенную (дневную) и неос­ вещенную (ночную) части Луны, называется терминатором.

§ 2. АТМ ОСФ ЕРА Л У Н Ы

Все наблюдения, в том числе и экспериментальные, указы­ вают на то, что Луна практически не имеет атмосферы. Причи­ ной отсутствия лунной атмосферы является слишком слабое гра­ витационное поле Луны, не­

она должна была утратить ее в сравнительно короткий в астро­ номических масштабах промежуток времени. В табл. 15.1 приве­ дены данные о скорости гравитационной диссипации (рассеяния) различных газов лунной атмосферы, рассчитанные для темпера­

туры 400 °К.

Из табл. 15.1 видно, что за время своего существования (око­ ло 4,5 -109 лет) Луна полностью потеряла свою первичную атмо­

сферу. Допуская, что в результате физических процессов, проис­ ходящих на Луне, имеет место непрерывное выделение газов, можно предполагать, что ее атмосфера содержит следы аргона и более тяжелых инертных газов (ксенона и др.). Исследования, проведенные с помощью искусственных спутников Луны, не под­ твердили этого предположения.

Плотность лунной атмосферы по современным данным состав­ ляет 109— 10й частиц/м3 (у поверхности Земли -—- 2,5 • 1025 частиц/м3). При такой малой плотности частиц лунная атмосфера должна быть ионизирована.

Экспериментальные исследования по изучению ионного соста­ ва лунной атмосферы, проведенные с помощью искусственных спутников Луны «Луна-10» и др., позволяют оценить верхний предел концентрации тяжелых ионов вблизи Луны на высотах около 300 км величиной порядка (1-г-2) *108иг3. Концентрация ионов водорода должна быть еще меньше. Отсутствие следов атмосферы на Луне свидетельствует о том, что в солнечной си­ стеме действуют факторы, способные «сдуть» слабую атмосферу с тел, не имеющих заметного магнитного поля. Одним из таких факторов, по-видимому, является солнечный ветер — корпуску­ лярные потоки. Не исключено, что дальнейшие исследования это­ го вопроса позволят получить важные результаты о свойствах окололунного космического пространства.

§ 3. Ф И ЗИ ЧЕСКИ Е ХАРАКТЕРИ СТИ КИ Л УН Н О Й ПОВЕРХН О СТИ

Поверхность Луны покрыта многочисленными лунными обра­ зованиями, основными типами которых являются моря, кольце­ вые горы (цирки или кратеры), горные цепи, лучевые системы, трещины и мелкомасштабные образования (воронки, камни и др.). Морями названы области Луны, видимые на ее диске в виде темных пятен и представляющие собой обширные сравни­ тельно плоские участки поверхности с заметно меньшей отража­ тельной способностью, чем окружающие их районы. Названия большинству морей были даны еще в XVII в.: море Дождей, оке­ ан Бурь, море Паров и др. Обратная сторона Луны, сфотографи­ рованная автоматическими межпланетными станциями (АМС) «Луна-3» и «Зонд-З», оказалась сравнительно бедной морями, большую частьее поверхности занимают материковые области.

Кольцевые горы-цирки и кратеры являются наиболее ха­ рактерной чертой лунного рельефа. Цирки — это образования, состоящие из кольцевого гарного хребта (вала), окружающего сравнительно гладкую и светлую равнину, называемую дном цир­ ка. Кратер отличается от цирка тем, что на дне его имеется одна или несколько остроконечных горок с высотой, меньшей высоты окружающего вала. Дно кратеров часто по светлости превосходит окружающие кратер районы. Размеры лунных кратеров и цирков

292

весьма разнообразны — от 1 м до 250 км в поперечнике. Высота вала у больших кратеров достигает 2—4 км. Число кратеров не­

ся системы светлых прямолинейных лучей, простирающихся не­ редко на сотни и тысячи километров. Так, длина шести лучей, выходящих из кратера Тихо, превышает 1000 км, а одного — до­ стигает 4000 км. Анализ крупномасштабных фотоснимков пока­ зал, что светлые лучи представляют собой скопление очень боль­ шого числа мелких углублений и кратеров, образованных в ре­ зультате выбросов светлого вещества из основного кратера.

Горные цепи и горные области, т. е. места, густо покрытые от­ дельными горными вершинами, составляют одну из особенностей лунного пейзажа. Лунные горы выше земных. Одна из вершин вблизи южного полюса достигает высоты 9 км. До 5,5'км подни­ маются вершины горной области Апеннин, окаймляющей север­ ную часть моря Дождей. В горных областях имеются многочис­ ленные глубокие и широкие долины, крупные обрывы и трещины. По внешнему виду эти участки лунной поверхности напоминают земные горные области с долинами. Трещины представляют со­ бой траншееобразные образования глубиной до нескольких сот метров и простирающиеся на десятки километров.

Анализ многочисленных фотографических и телевизионных изображений лунной поверхности позволил выделить и исследо­ вать и мелкомасштабные лунные образования: воронки, камни, линейные структуры.

Вопрос о природе лунного рельефа является сложным и до сих пор недостаточно изученным. Длительное время существуют две гипотезы, объясняющие особенности образования лунного

образования наблюдаемого лунного рельефа являлась бомбар­ дировка лунной поверхности падающими метеоритами различ­ ных размеров. Вулканическая гипотеза (Н. А. Козырев, А. В. Хабаков, В. Г. Фесенков, Дж. Карпентер и др.) объясняет проис­ хождение форм рельефа внутренними закономерностями, в том числе и вулканическими процессами.

Полученные к настоящему времени конкретные данные о фи­ зических и химических характеристиках лунных грунтов позво­ ляют считать, что правы сторонники обеих гипотез строения лун­ ной поверхности. В истории Луны, по-видимому, существовало несколько фаз ее развития, в которых преобладали то внутрен­ ние — вулканические, то внешние — метеорные факторы.

293

В результате первых экспериментов, выполненных станциями «Луна-9», «Луна-13», космическими аппаратами «Сарвейер», а также анализа образцов лунного грунта, доставленных экипажа­ ми «Аполлон-11» и «Аполлон-12» и автоматической станцией «Луна-16», установлено, что поверхность Луны в районе морей покрыта слоем сравнительно рыхлого слабовязкого разнозерни­ стого вещества (реголита) темно-серого или коричневато-серого цвета. Толщина слоя различна и колеблется от нескольких сан­ тиметров до нескольких метров. Поверхностный слой покрыт еще более тонким рыхлым слоем лунной пыли. Плотность лунного грунта, равная 3,1 • 103 кг/м3, близка к средней плотности пород земной коры. В естественном залегании плотность поверхност­ ного слоя в два-три раза меньше указанной, что свидетельствует о его высокой пористости. Верхний слой покоится на коренных твердых горных породах или на их крупных обломках.

Теплопроводность поверхностного слоя приблизительно в ты­ сячу раз меньше теплопроводности коренной породы, однако теп­ лоемкости их почти одинаковы и сравнимы в среднем с теплоем­ костью пород Земли. Мелкие частицы лунного грунта и пыли об­ ладают способностью слипаться в отдельные более крупные рых­ лые комки, а также налипать на соприкасающиеся с ними по­ верхности твердых тел. Эта особенность существенно отличает лунный грунт от земных сыпучих пород. По этому свойству грунт Луны несколько напоминает влажный песок или комковатую структуру земных почв. Предполагается, что поверхностный слой Луны является продуктом эрозии и образовался в результате разрушения коренных кристаллических пород под воздействием целого ряда космогенных факторов, таких, как удары крупных метеоритов и микрометеоритов, облучение космическими лучами и солнечным ветром, воздействие глубокого вакуума и боль­ ших температурных колебаний. Скорость эрозии открытых по­ верхностей составляет примерно 1• 10'9 л в год.

По химическому составу все исследованные образцы лунной породы оказались идентичными, но отличающимися от земных пород и метеоритов заметно большим содержанием титана, цир­ кония, храма и малым содержанием щелочных металлов. Так, образцы, взятые в районе моря Спокойствия, содержат 40—45% кислорода, 17—21% кремния, 12—16% железа, 6—8% кальция, примерно столько же алюминия, титана и магния. Остальные элементы содержатся в долях процента. В образцах грунта, взя­ тых АМС «Луна-16», удалось определить 70 химических элемен­ тов. Основными минералами, составляющими лунную породу, являются ильменит, пироксен и плагиоклаз. Не были обнаруже­ ны какие-либо водосодержащие минералы. Таким образом, по химическому и минералогическому составу кристаллические по­ роды поверхности лунных морей могут быть отнесены к базаль­ товому типу. Ближайшими аналогами верхнего слоя лунного

294

грунта являются рыхлые продукты современных вулканических извержений типа туфа, пемзы и вулканических шлаков.

Вопрос о строении и составе лунных пород, особенно в гор­ ных районах, требует своего дальнейшего исследования, посколь­ ку изучена лишь очень малая часть поверхности только в райо­ нах лунных морей.

§ 4. Т ЕМ П ЕРА Т УРН Ы Й РЕЖ И М Л УН Н О Й П О ВЕРХН О СТИ

Выяснить особенности температурного режима лунной по­ верхности позволяют многочисленные экспериментальные иссле­ дования инфракрасного излучения Луны. Установлено, что по-

Рис. 15.5. Распределение температуры поверхности по экватору лунного диска:

о X • — экспериментальные данные;--------распределе­ ние по закону (4.1)

верхность Луны термически неоднородна: различные участки ее нагреваются и охлаждаются неодинаково. Так, в течение лунной ночи море остается в среднем на 6° теплее материков. Во время лунных затмений температура наиболее крупных лунных кра­ теров (Коперник, Тихо, Кеплер и др.) остается на 30—40° выше температуры окружающих областей. Кроме того, выявлено зна­ чительное число более мелких теплых локализованных участков. По-видимому, теплые участки связаны с выходами коренных твердых пород, теплопроводность которых значительно отличает­ ся от теплопроводности пористого поверхностного слоя Луны.

295

Максимальная температура Ттах наблюдается в подсолнеч­ ной точке, т. е. в точке, для которой в данный момент времени Солнце находится в зените. Согласно измерениям многих иссле­ дователей, Т тах= 400+10 °К. К краю лунного диска по его эква­ тору температура убывает по закону

С наступлением лунной ночи температура поверхности быст­ ро г^адает, достигая ~ 150°К в точках, отстоящих от тер­ минатора на 5—10 градусов долготы. В дальнейшем температу­ ра почти равномерно со скоростью около 0,3° на градус долготы приближается ксвоему минимальному значению T mln=90-t- 105°К- Теоретически рассчитанный фазовый ход температуры центра диска показан на рис. 15.6. Здесь же приведено несколько экспе­ риментальных точек, полученных Синтоном.

Во время лунных затмений температура поверхности падает столь же резко, хотя и не до таких низких значений. На рис. 15.7 приведены экспериментальные данные о температуре поверхно­ сти в центральной части лунного диска, полученные во время од­ ного из лунных затмений. Из рисунка видно, что в течение пер­ вой фазы затмения температура быстро упала на 160—170°. Ми­ нимальное ее значение (175—180°К) наблюдалось в конце фазы полного затмения, при этом в течение всей фазы скорость паде­ ния температуры оставалась почти постоянной и равной 7—10° в час. Через 30—40 мин после начала последней фазы затмения температура лунной поверхности достигла своего первоначаль­ ного значения (~370°К ).

296