Химия лунного грунта

Викторов Сергей Васильевич

ИЗМЕРЕНИЯ С ОРБИТЫ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЛУНЫ

Исследования химического состава лунного грунта были начаты с орбиты искусственных спутников Луны. Эти спутники позволили изучить характеристики окололунного пространства, магнитного и гравитационного полей Луны, а также, что особенно важно для нас, получить общие сведения геохимического характера. Естественно, что такие исследования являются глобальными, т. е. их результаты получаются усредненными по значительным площадям лунной поверхности.

Измерения, проведенные с помощью гамма-спектрометра, установленного на первом искусственном спутнике Луны — станции «Луна-10», позволили получить

данные о гамма-излучении больших областей лунной поверхности. Часть этого излучения, как полагают, возникает за счет взаимодействия космических лучей с поверхностью, а другая связана с собственной радиоактивностью лунных пород. После сравнения интенсивности гамма-излучения от распада в лунном грунте естественных радиоактивных элементов (калия-40, изотопов урана и тория) с интенсивностью излучения этих элементов, содержащихся в земных горных породах, ученые пришли к выводу, что лунные породы содержат радиоактивные элементы, концентрация которых соответствует земным породам основного состава (типа базальтов). Таким образом, полученные данные указывали на отсутствие (в районах лунной поверхности, где проводились измерения) пород с таким же содержанием радиоактивных элементов, как в земных кислых породах (гранитах). Вместе с тем нельзя было на основании лишь орбитальных исследований полностью исключить возможность существования ультраосновного или метеоритного вещества в этих районах.

Исследования Луны с орбит искусственных спутников были продолжены советскими станциями «Луна-11, -12, -14 и -15» (1966–1969 гг.) и пятью американскими аппаратами серии «Лунар орбитер» (1966–1967 гг.). Эти станции дали возможность получить детальные снимки больших площадей видимой и невидимой с Земли сторон Луны, определить аномалии ее гравитационного поля, изучить метеоритную и радиационную обстановку в окрестностях Луны. Полученные результаты позволили сделать вывод о реальности осуществления полетов пилотируемых космических кораблей. Началась также отработка возможности мягкой посадки космической станции в разных районах Луны, т. е. проведение различных маневров с изменением селеноцентрической орбиты («Луна-15»).

Исследование Луны и окололунного пространства с орбиты искусственных спутников Луны оказалось весьма перспективным, поэтому они продолжаются и в настоящее время («Луна-19» в 1971 г., «Луна-22» в 1973 г., «Луна-23» в 1974 г.).

Американская программа исследования Луны с орбиты ее искусственных спутников после полетов аппаратов «Лунар орбитер» осуществлялась с помощью командных модулей кораблей «Аполлон», а также небольших спутников, запущенных экипажами «Аполлона-15 и -16». На борту «Аполлона-15 и -16» находились приборы, позволявшие с помощью метода рентгеновского флуоресцентного анализа (примененного для исследования лунного грунта впервые на «Луноходе-1» в 1970 г.) измерять содержание ряда элементов в поверхностном слое лунного грунта.

Однако следует отметить, что на «Луноходах» была реализована полная схема рентгеновского флуоресцентного анализа: там имелись как радиоактивные источники для возбуждения рентгеновского излучения грунта, так и детекторы для его регистрации. Американские же космонавты имели на борту лишь детекторы, а в качестве источника для возбуждения флуоресценции лунного грунта «использовалось» солнечное рентгеновское излучение (рис. 4), энергия которого достаточна для возбуждения лишь наиболее легких элементов — магния, алюминия, кремния. Кроме того, интенсивность рентгеновского излучения Солнца весьма непостоянна, в силу чего невозможно было проводить абсолютные измерения концентраций.

Рис. 4. Принцип измерения усредненного содержания химических элементов на больших участках лунной поверхности, использующийся при полете кораблей «Аполлон-15 и -16» (для облучения грунта «использовалось» рентгеновское излучение Солнца)

В американском эксперименте использовались три детектора с окнами, изготовленными из тонкой берилловой фольги. Ввиду того что кремний, магний и алюминий имеют очень близкое по энергии флуоресцентное излучение, для определения интенсивности линий этих элементов применялись алюминиевый и магниевый фильтры. С помощью специального источника периодически проводилась калибровка детекторов. Для контроля за интенсивностью рентгеновского излучения Солнца был установлен солнечный монитор, работавший в диапазоне энергий от 1 до 3 кэВ. Для получения энергетических спектров флуоресцентного рентгеновского излучения использовался восьмиканальный амплитудный анализатор.

Измерения с орбиты проводились в течение десятков часов и охватили около 20 % лунной поверхности. В тех местах, где измерения были проведены как «Аполлоном-15», так и «Аполлоном-16», они дали близкие результаты, совпадающие с точностью до 10 %. В результате этих исследований было измерено относительное содержание магния, алюминия и кремния в отдельных, но обширных районах Луны. Из-за большой скорости и значительной высоты орбитального полета каждая «точка» этих измерений соответствовала участку поверхности размером примерно 100 х 150 км.

Орбитальные измерения подтвердили тот факт, что «морские» и «материковые» районы Луны заметно различаются по содержанию в них алюминия. Отношение концентраций «алюминий/кремний» составило для «морских» районов от 0,29 до 0,38, для «материковых» — от 0,42 до 0,69, что хорошо согласуется с результатами других экспериментов. Наблюдалась также определенная корреляция между содержанием алюминия и отражающей способностью соответствующего участка лунной поверхности. Этот факт был вскоре подтвержден соответствующими исследованиями, выполненными на «Луноходе-2».

Любопытно отметить, что содержание алюминия в «морских» районах было выше в краевых частях «морей», граничащих с «материками». Этот результат может, вообще говоря, подтверждать факт горизонтального переноса вещества на лунной поверхности с более высоких «материковых» районов в более низкие «морские». Однако не исключено, что это вызвано неизбежным для данного эксперимента усреднением по сравнительно большой площади: при измерении краевых областей «морей» в поле зрения прибора могли попадать части «материковых» районов. В то же время обнаруженное «Луноходом-2» постепенное изменение химического состава вещества в зоне контакта «морской» и «материковой» областей свидетельствует в пользу наличия перемещения вещества на лунной поверхности.

О наличии переноса вещества свидетельствуют также и материалы изучения некоторых особенностей структуры лунной поверхности. Так, например, находящиеся на довольно сглаженной поверхности камни погружены в грунт так, что имеется резкая линия раздела, причем верхние поверхности камней часто совсем не покрыты пылью. Кроме того, отсутствуют нарушения структуры грунта, которые должны были бы возникнуть при падении этих камней, являющихся выбросами при кратерообразовании. Для объяснения этих фактов требуется достаточно эффективный и быстрый механизм, который должен был сгладить грунт и при этом не покрыть слоем пыли верх камней и не образовать вала вокруг каждого камня.