«Земля и Вселенная» 2001 №1, с.23-33

Исполнилось 60 лет заведующему Отделом исследований Луны и планет Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга доктору физико-математических наук Владиславу Владимировичу Шевченко.

В.В. Шевченко — известный специалист в области исследований тел Солнечной системы. Им разработаны принципы физической селенографии как нового комплексного метода изучения природы лунной поверхности. Вклад Владислава Владимировича в изучение отражательных свойств поверхностей Луны, Меркурия, Марса, спутников Юпитера признан во всем мире. Он — автор монографий "Современная селенография" и "Луна и ее наблюдения". В.В. Шевченко — член рабочей группы MAC по планетной номенклатуре, член редколлегии журналов "Астрономический вестник" и "Земля и Вселенная".

Редколлегия и сотрудники редакции "Земли и Вселенной" поздравляют Владислава Владимировича с юбилеем и желают ему новых творческих успехов.

На страницах журнала мы освещали полет американской автоматической станции "Лунар Проспектор" (лунный изыскатель), которая, став 11 января 1998 г. искусственным спутником Луны (ИСЛ), за 1,5 года передала уникальные сведения о всей поверхности Луны (Земля и Вселенная, 1998, № 3; 1999, № 3; 2000, № 4). Станция открыла огромные запасы водяного льда, позволила создать точные карты магнитных полей, гравитационных аномалий и природных ресурсов нашего естественного спутника. О предварительных результатах работы "Лунар Проспектор" и возможного решения на их основе многих проблем происхождения и эволюции Луны рассказывает один из крупнейших отечественных исследователей Луны.

Положение плоскости экватора Луны относительно эклиптики. Получается, что солнечные лучи падают на области лунных полюсов почти по касательной

ЛЕД ВБЛИЗИ ЛУННЫХ ПОЛЮСОВ

5 марта 1998 г. на специально созванной и широко разрекламированной пресс-конференции представители NASA и ведущие экспериментаторы проекта "Лунар Проспектор" объявили об открытии ледяных "полярных шапок" Луны. Сенсация заключалась в том, что Луна изначально была безводным телом (в отличие от Марса). На небольшой по массе Луне не только вода, но и очень разреженная газовая атмосфера практически не могли существовать даже непродолжительное время.

И вдруг, несмотря на это, специалисты утверждают: судя по содержанию водорода в поверхностном слое при самом осторожном анализе полученных данных можно ожидать, что вблизи лунных полюсов находится до 300 млн т льда, перемешанного с реголитом (Земля и Вселенная, 1992, № 5). Причем ледяные отложения на Северном полюсе более мощные, чем на Южном.

Строго говоря, это не сенсация, так как еще четыре года назад американский полярный ИСЛ "Клементина" (Земля и Вселенная, 1997, № 5) обнаружил признаки льда в приповерхностном грунте. Тогда же были рассмотрены различные модели образования и сохранения водяного льда в условиях лунных полюсов.

Особенность полярных районов Луны — аномальный температурный режим, при котором формирование и дальнейшая эволюция поверхностного слоя происходят при низких температурах, незначительном солнечном облучении или даже полном его отсутствии.

Поскольку угол наклона лунного экватора к эклиптике незначителен (1°32'47"), то даже неглубокие депрессии в полярных областях могут содержать участки поверхности, которые при любом положении Солнца окажутся в постоянной тени. Наибольшая по протяженности область длительного или постоянного затенения существует в районе Южного полюса. Неблагоприятные условия освещения прилегающих к полюсу областей препятствовали получению их изображений и с помощью наземных телескопов, и в процессе съемок с борта американских ИСЛ "Лунар орбитер" (Земля и Вселенная, 1971, № 3). Так, съемки, выполненные КА "Клементина" с конца марта до конца апреля 1994 г., выявили границы области постоянного затенения в данный период. Конфигурация области постоянного затенения соответствует только одному синодическому циклу (около 29,53 сут) и поэтому требует дальнейшего изучения и уточнения с учетом годичных и вековых вариаций угловых соотношений.

УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛЬДА

Исследования природы лунного вещества в не освещаемых солнечными лучами зонах имеют фундаментальное значение. Помимо экстремально низких температур, сохраняющихся в слое реголита с момента образования основной массы поверхности, на протяжении трех или более миллиардов лет, возможно, существует ряд тонких эффектов, имеющих принципиальное значение.

Материал поверхности в постоянно затененных областях формировался в условиях сверхнизких температур. Поскольку изверженные или ударные расплавы остывали длительное время при такой температуре, можно сделать предположение о некоторых его физико-механических или минералогических отличиях от типичных лунных пород. Известно, что лунный реголит формируется в условиях цикличного нагревания и охлаждения поверхности. Перепад дневных и ночных температур поверхностного слоя в экваториальных областях может достигать 300° (от -130° до +170°С).

Реголит в постоянно затененных местах никогда не подвергался прямому воздействию солнечной радиации. Потоки частиц солнечного ветра, движущиеся по силовым линиям межпланетного магнитного поля, по-видимому, способны создавать непостоянный фон облучения даже в таких областях. Тот же эффект может возникать при пересечении Луной хвоста магнитосферы Земли. Напротив, облучение космическими лучами галактического происхождения составляет постоянный фон, что способствует накоплению следов бомбардировки лунного грунта этими частицами. Поскольку роль солнечной компоненты в данных условиях значительно снижается, возрастает надежность, с которой определяется галактический фон по оценке радиоактивности лунных пород. Наконец, и это, пожалуй, самое главное: постоянно затененные места в приполярных областях Луны могут служить холодными ловушками для летучих веществ, появляющихся в лунной экзосфере в результате некоторых процессов, свойственных только лунной среде.

Проблема существования лунных льдов имеет многоплановое значение для фундаментальных и прикладных исследований. Поскольку один из наиболее продуктивных источников возможного возникновения и накопления лунных полярных льдов могут быть кометы, оценка количества привнесенных в лунную среду летучих веществ и определение параметров соответствующих отложений (хронологическая шкала и вариации интенсивности) помогут достоверно восстановить характеристики потока комет во внутреннюю часть Солнечной системы (Земля и Вселенная, 1997, № 5, с. 23). Обсуждаемые в настоящее время сценарии формирования тел Солнечной системы на ранней стадии эволюции планет отводят значительное место кометам. Доказательство существования лунных льдов позволит превратить гипотетические сценарии в теории. Подтверждение гипотезы существования кометного резервуара на окраине Солнечной системы, кометных ливней, возникающих в результате воздействия внешних (по отношению к Солнечной системе) возмущающих факторов, позволит создать космогонические теории происхождения и роли комет в Солнечной системе. Отрицательный результат — отсутствие заметных отложений полярных льдов на Луне — может привести к развитию иной космогонической концепции.

Северная (слева) и Южная (справа) полярные области Луны (мозаика снимков КА "Клементина"). Эллипс в центре обоих изображений показывает разрешающую способность нейтронного спектрометра КА "Лунар Проспектор", проводившего измерения с рабочей орбиты ИСЛ. Фото NASA

Велико и прикладное значение проблемы существования лунных полярных льдов. Подтверждение этого открытия расширит номенклатуру лунных природных ресурсов и повлияет на разработку стратегических концепций освоения Луны, поможет выбрать места для постоянно действующих обитаемых лунных баз, создания лунных производственных комплексов, энергетических станций и транспортных систем (Земля и Вселенная, 1989, №3; 1990, №5; 1997, №2).

НАУЧНАЯ ПРОГРАММА "ЛУНАР ПРОСПЕКТОРА"

Программа полета КА "Лунар Проспектор" включала три научные цели. Первая и основная — изучение лунной коры и атмосферы для поиска природных ресурсов: минералов, некоторых газов и, конечно, водяного льда. Попутно предполагалось получить новые данные для создания гравитационной карты всего лунного шара и карты магнитных полей. На их основании можно решать и третью задачу — определить размеры лунного ядра.

Напомним, что на этом КА было пять научных приборов, позволивших выполнить шесть экспериментов. Стартовая масса КА — 295 кг, на лунной орбите — 126 кг (без учета массы топлива для выполнения маневров на орбите). Станция вышла на окололунную полярную орбиту 11 января 1998 г. Научная и служебная аппаратура размещалась внутри цилиндрического корпуса высотой 1,25 м с диаметром 1,42 м и на трех выносных штангах длиной 2,4 м.

Космический аппарат "Лунар Проспектор" (рисунок)

Нейтронным спектрометром измерено содержание водорода в поверхностных слоях, что дало возможность выявить отложения водного льда в полярных районах. Гамма-спектрометр и нейтронный спектрометр определили химический состав поверхностного слоя, что важно для уточнения эволюции лунной коры, а также оценки запасов некоторых природных ресурсов. Магнитометр и электронный рефлектометр изучали природу лунного палеомагнетизма и определяли роль ударных явлений в формировании местных магнитных аномалий.

Альфа-спектрометр регистрировал потоки альфа-частиц, связанных с процессами дегазации при участии радона. Определив частоту и местоположение истечений газов, установили возможные источники подпитки современной лунной атмосферы. Исследования подобных кратковременных явлений, возможно, вскроют некоторые особенности современной тектонической деятельности Луны.

Точные траекторные измерения с помощью доплеровского эффекта помогли определить глобальные параметры гравитационного поля и исследовать лунное ядро.

КЛЮЧ К ТАЙНЕ ПРОИСХОЖДЕНИЯ — В ЦЕНТРЕ ЛУНЫ

Происхождение Луны всегда относилось к фундаментальным вопросам изучения тел Солнечной системы. Двойственность полученных данных порождала самые различные, порой противоположные, предположения. Даже непосредственное изучение образцов лунных пород не помогло решению задачи происхождения спутника Земли. Вещество Луны, с одной стороны, похоже на земные породы, с другой — отличается от последних. Строение лунных ландшафтов указывает на общность этапов эволюции обоих тел. Луна тоже прошла стадию дифференциации недр и, подобно земному шару, разделена на кору, мантию и, по-видимому, ядро. Но средняя плотность Луны существенно ниже земной, что ставит под сомнение существование достаточно массивного лунного ядра (Земля и Вселенная, 1975, №1; 1995, №3).

Раньше общепринятой считалась гипотеза одновременного формирования Земли и Луны из околосолнечного протопланетного облака. Чтобы согласовать противоречия в теории формирования планетных тел, предлагались различные варианты этой гипотезы. Более 20 лет назад стали рассматривать иной механизм формирования Луны, согласно которому прошедшая основные стадии дифференциации Земля столкнулась с крупным небесным телом размером с Марс (Земля и Вселенная, 1999, № 6). Произошел не лобовой удар, поэтому разрушительные процессы затронули только верхние слои земных недр. На околоземную орбиту было выброшено вещество земной коры и мантии, из которого путем последующей аккреции сформировался спутник Земли. Такая схема объясняла сходство химического состава лунных и земных пород, более низкую среднюю плотность лунного шара и отсутствие массивного железного ядра. У Земли масса металлического ядра скорее всего составляет 30% массы. Если верна гипотеза ударного происхождения Луны, то масса ее металлического ядра не должна превышать нескольких процентов. Таким образом, проблема происхождения Луны в последнее время оказалась тесно связанной с определением массы лунного ядра.

Карта распределения железа в поверхностном слое Луны. Красным цветом отмечено повышенное содержание железа. Наиболее обогащены железом базальтовые лавы, выплавленные из лунных недр. На видимом полушарии эти области совпадают с лунными морями. Любопытно, что подобные районы на обратной стороне Луны (слева и справа на карте) также обогащены железом, несмотря на отсутствие морей. По данным NASA

Одним из достижений миссии "Лунар Проспектор" стало увеличение точности траекторных измерений примерно в 5 раз. Благодаря этому появилась возможность построить новые гравиметрические карты обоих полушарий Луны, отражающие детальную структуру ее поля тяготения. К числу известных масконов (гравитационных аномалий) прибавилось 13 новых, причем выявлена тесная связь новых масконов с деталями рельефа. Со времен открытия гравитационных атомалий считалось, что они характеризуют строение коры в области круговых морей (Море Дождей, Море Ясности и др.). Природу масконов связывали с внутренними источниками лавы, заполнившей впадины крупных бассейнов. Обнаруженные КА "Лунар Проспектор" аномалии относятся к крупнейшим бассейнам ударного происхождения (более 300 км), внутри которых не наблюдаются следы лавовых излияний. Поэтому масконы имеют иной, пока неизвестный источник происхождения.

Детальная карта гравитационных аномалий видимого (слева) и обратного (справа) полушарий Луны (единицы измерения — миллигалы). Помимо известных ранее масконов, например в области Моря Дождей и Моря Ясности, прослеживается много новых деталей. Область внутри крупнейшей лунной депрессии Южный полюс-Эйткен характерна холодными ловушками, где может находиться лед (внизу в центре изображения обратного полушария). По данным NASA

Исследования уточнили размеры лунного ядра. Оказалось, что у земного спутника, вероятно, существует металлическое ядро радиусом от 220 до 450 км. Это подтверждено в апреле 1998 г., когда Луна пересекала геомагнитный хвост Земли. Предварительная интерпретация магнитометрических данных также указывает, что радиус металлического ядра Луны от 250 до 430 км. Различные оценки массы ядра показали, что она может составлять не более 4% от общей массы Луны (скорее всего около 2%). По мнению авторов эксперимента, новые данные о лунном ядре служат убедительным подтверждением гипотезы ударного образования естественного спутника Земли из вещества коры и мантии нашей планеты, в то время еще очень молодой.

ПАДАЛИ ЛИ НА ЛУНУ КОМЕТЫ?

Глобальные магнитометрические исследования Луны показали, что наименьшая напряженность магнитного поля регистрируется в области морей. Например, в районе Моря Дождей напряженность

Петлеобразные "альбедные" образования (а, б), типичные для диффузных структур, относящихся к магнитным аномалиям. Подобные формы характерны для диффузных структур (антиподов круговых морей) и "Рейнер-гамма", которая не является антиподом какому-либо определенному ударному образованию. Фото NASA

Карта местных магнитных полей в экваториальной области Луны. Верхняя карта показывает распространение измеренных магнитных аномалий на видимой стороне. Нижняя — модель крупнейших магнитных аномалий обратной стороны, расположенных в противоположных для некоторых круговых морей районах видимого полушария Луны. По данным NASA

Магнитометрические измерения на субспутниках, запущенных с борта КК "Аполлон-15" и "Аполлон-16" (Земля и Вселенная, 1973, №5), обнаружили совпадение положения магнитных аномалий в приэкваториальной зоне Луны с диффузными структурами, похожими на "Рейнер-гамма", в западной части Океана Бурь. Данные КА "Лунар Проспектор" подтвердили такую особенность Луны.

Более того, авторы эксперимента обратили внимание, что наиболее значительные аномалии ("магнитные" и "альбедные") располагаются в областях, противоположных четырем круговым морям видимого полушария — Морю Дождей, Морю Ясности, Морю Кризисов и Морю Восточному. Возникла гипотеза о происхождении магнитных аномалий одновременно с появлением крупных ударных бассейнов. Выброшенные в результате удара облака ионизованного пара концентрировались в противоположном месте и, падая на поверхность с большой скоростью, намагничивали значительный слой пород. Возникшее местное магнитное поле защищает, как зонтик, соответствующую область поверхности от космического и солнечного протонного облучения, поэтому она не темнеет, Возможно, что так формируются "альбедные" аномалии в области магнитных аномалий.

Данная модель встречается со многими трудностями. Исследование распределения диффузных структур на лунной поверхности показывает, что существуют исключения из предложенного "правила антиподов",

Ведь, например, Море Влажности, Море Гумбольдта или бассейн Герцшпрунг не имеют соответствующих аномальных антиподов. С другой стороны, у образования "Рейнер-гамма" тоже нет антипода в виде крупной ударной структуры. Существует разительное противоречие и в возрасте антиподальных структур. "Молодые" бассейны Имбрийского периода возникли 3,2-3,8 млрд лет назад. Возраст же "альбедных" аномалий (по различным оценкам) составляет порядка 10 млн лет. Если магнитная аномалия представляет собой атрибут диффузной структуры, то возникновение наблюдаемых местных магнитных полей относится к тому же периоду.

Существует и другая точка зрения на происхождение магнитных и "альбедных" аномалий. Если на лунную поверхность падает комета, то столкновение при больших скоростях ионизованных газов комы и ядра кометы с твердыми породами Луны также приводит к формированию местного магнитного поля, а модификация поверхностного слоя реголита в процессе удара образует яркие диффузные структуры. Следует напомнить, что у кометных ядер плотность мала (до 0,1 г/см³), поэтому удар получается совершенно иным, чем при падении твердого (даже ледяного) фрагмента. С другой стороны, если лед в полярных отложениях действительно есть, то "ливневое" падение комет на лунную поверхность должно было обязательно происходить, поскольку кометы, скорее всего, были основным источником водяного льда. В то же время, несмотря на все остающиеся без ответов вопросы, нельзя не замечать "проблему антиподов". Связанные в один узел проблемы полярных льдов и местных магнитных аномалий остаются нерешенными. Тем более, что пока еще невозможно уверенно подтвердить ту или иную модель.

ПОСЛЕДНИЙ ВИТОК ИСЛ

Главный результат, полученный КА "Лунар Проспектор", — подтверждение существования полярных льдов, хотя не все ученые согласны с тем, что лед на Луне открыт. Строго говоря, ИСЛ регистрировал потоки нейтронов, а по их характеру и интенсивности оценивалось содержание водорода в поверхностном слое реголита. Согласно разработанной модели, толщина слоя — около 0,5 м. Над полярными областями Луны нейтронный спектрометр определял аномально слабые потоки нейтронов любой энергии, что и позволило авторам эксперимента высказать предположение о большом количестве водорода в связанном состоянии, т.е. о фактическом скоплении водяного льда. Как уже отмечалось, отложения водяного льда могли сохраниться только в постоянно затененных местах — холодных ловушках,

Распределение диффузных структур. Изолинии показывают плотность распределения отдельных "альбедных" образований на единице площади. Окружностями выделено положение антиподов наиболее крупных круговых морей видимого полушария. Слева направо: бассейн Герцшпрунг, Моря Восточное, Влажности, Дождей, Ясности, Кризисов и Гумбольдта. Схема поясняет, насколько соблюдается "правило антиподов"

Место падения аппарата "Лунар Проспектор". Изображение получено с помощью одного из самых крупных на Земле радиотелескопов в Голдстоуне. На обычных снимках кратер Шумейкер (обозначен красным кружком) находится в постоянной тени, и его дно не видно. Траектория падения "Лунар Проспектора" показана прямой линией. Фото NASA

где температура поверхности очень низкая (до -200°С). В полярных районах не отмечено следов глобального лунного вулканизма, относящихся к последним 2 млрд лет. Но за это же время поверхностный слой лунного реголита мог быть перемешан при падении метеоритов и воздействии излучения на глубине около 2 м. Следовательно, показания нейтронного спектрометра допустимо отнести к слою подобной толщины. На полюсах обнаружены области, где содержание водного льда в грунте может составлять от 0,3% до 1%. Расчеты показывают, что масса льда достигает около 200 млн т на Южном полюсе и примерно 60 млн т — на Северном. Вероятно, не существует отложений чистого льда. Скорее всего, это смесь реголита со льдом. Такой грунт встречается на Земле в районах вечной мерзлоты.

Сомнения все же оставались. Причем, возражения сводились не к достоверности показаний прибора, а к их интерпретации. Действительно ли повышенное содержание водорода в грунте означает присутствие водяного льда или водород может находиться в какой-то другой форме?

В мае 1999 г. участники проекта "Лунар Проспектор" приняли нетривиальное решение. Поскольку программа подходила к концу и все запланированные эксперименты были завершены, решили направить КА в одну из холодных ловушек, вызвав появление ударно-взрывного облака. Если бы спектральные наблюдения облака обнаружили следы водяных паров (например, молекулы ОН), это стало бы доказательством существования полярных льдов на Луне. К сожалению, надежда на успех такого эксперимента оценивалась не более чем в 10%. Масса КА с учетом остатков топлива к тому времени составляла 158 кг. Падение могло произойти только под очень малым (всего несколько градусов) углом со скоростью менее 1,7 км/с. По расчетам, масса ударно-взрывного облака могла составить лишь 87 кг (из них 18 кг пришлось бы на долю водяных паров). Температура облака могла достигнуть 400 К. Время его наблюдения оценивалось в десятки секунд. Спустя 2 мин все выбросы должны были полностью рассеяться. 31 июля 1999 г. КА "Лунар Проспектор" сошел с орбиты и, согласно расчетным данным, упал на дно выбранного кратера. К сожалению, крупнейшие телескопы, участвовавшие в программе наблюдений, включая Космический Телескоп им. Хаббла, не смогли зафиксировать никаких следов ударно-взрывного облака. Заметим, что за два года до этих событий в России разрабатывался проект "Луна-глоб" (Земля и Вселенная, 1999, № 6), одним из экспериментов которого предусматривалась посадка АМС в область предполагаемых ледяных отложений на Южном полюсе. Планировался непосредственный контакт с загадочной субстанцией, что имело бы эпохальное значение. К сожалению, проект не осуществился. Но самое интересное заключается в том, что местом для высадки посадочного модуля, выбранным астрономами ГАИШ МГУ, оказалась холодная ловушка — тогда еще безымянный кратер, который спустя два года американские специалисты выбрали для падения КА "Лунар Проспектор". Независимый анализ многих ученых привел к выводу, что наиболее вероятным местом отложений лунных льдов на Южном полюсе является холодная ловушка в постоянно затененном 60-км кратере с координатами 88° ю.ш. и 45° в.д.

С последним витком "Лунар Проспектора" связано еще одно событие. Незадолго до запуска КА в автомобильной аварии трагически погиб один из крупнейших ученых в области исследований Солнечной системы американский геолог Юджин Шумейкер. Трагедия произошла во время экспедиции по поиску метеоритных кратеров в Австралии. В знак особого уважения к памяти ученого на борт аппарата поместили капсулу с прахом Ю. Шумейкера для захоронения на Луне (Земля и Вселенная, 2000, № 4). Позднее, но до завершения полета КА "Лунар Проспектор", Рабочая группа по номенклатуре планетной системы Международного астрономического союза (MAC), членом которой является автор данной статьи, приняла решение назвать именем Ю. Шумейкера тот лунный кратер, вблизи которого упал бы "Лунар Проспектор". В августе 2000 г. во время очередной Генеральной ассамблеи MAC подобное решение было принято: кратер — холодная ловушка, куда упал "Лунар Проспектор" и где теперь покоится прах ученого, — получил название "кратер Шумейкер". Все это весьма символично. Ведь Ю. Шумейкер был сторонником идеи многократных падений комет на лунную поверхность, он считал, что полярные льды на Луне действительно существуют. Доказывать его правоту будут следующие поколения лунных изыскателей: вопрос о лунных полярных льдах остался открытым, нерешенной до сих пор осталась и проблема происхождения магнитных аномалий.