§3. Луна

Порой, сами того не сознавая, люди чувствуют себя менее затерянными в бездне мироздания, когда в вечернем небе над ними поднимается желтый диск Луны. Вечная спутница Земли – Луна – с расстояния 384 тыс. км видела все, что происходило на земной поверхности. Только она одна могла бы во всех подробностях рассказать нам подлинную историю событий, происходивших на Земле. Размеры и масса Луны приближаются к планетным параметрам. Поэтому мы расмотрим ее строение здесь наряду с планетами Земной группы.

Масса Луны – 7,3510²⁵ г, т.е. в 81 раз меньше земной. Диаметр – 3476 км, средняя плотность – 3,34 г/см³. Ускорение силы тяжести в 6 раз меньше, чем на поверхности Земли, и составляет 1,63 м/с².

Луна делает один оборот вокруг Земли за 29,5 суток, скорость вращения вокруг оси 27,32 суток. Таким образом, периоды ее осевого вращения и сидерического обращения вокруг Земли равны. Вот почему Луна всегда обращена к нам одной и той же стороной (рис. 94).

Луна лишена воды и атмосферы. В течение солнечного дня, длящегося, как и ночь, 15 суток, ее поверхность нагревается до +130С, а ночью охлаждается до -170С.

С 1969 по 1972 г. 29 американских астронавтов побывали на Луне. Три автоматические станции и два лунохода, посланные СССР, также проделали большую работу. Все это позволило провести разносторонние исследования физических полей, рельефа и лунных пород. Сравнение фотографий обращенной к Земле и противоположной сторон Луны позволяет заключить, что из-за приливного торможения спутник уже давно практически остановил свое вращение.

Рис. 94. Луна

Рельеф лунного полушария, обращенного к Земле (рис. 94), довольно разнообразен. Здесь различают обширные низменности, получившие названия морей, материковые области с горными хребтами и отдельными горными массивами высотой 5 – 8 км, множество крупных и мелких кольцевых кратеров. В одном из них – кратере Альфонс диаметром 124 км – в 1958 г. наблюдалось свечение центральной горки. В нем были обнаружены выделения углерода.

На обратной стороне Луны преобладают кратерные формы и отмечено лишь два моря – море Москвы и море Мечты.

Поверхность кратеров и лунных морей – плоская, магматического происхождения. Судя по возрасту пород, последний этап вулканизма на Луне закончился 3,3 млрд. лет назад. Расплавленная мантия находилась в то время на сравнительно небольшой глубине, и магма после удара метеорита легко выходила по трещинам на поверхность, заполняя образовавшийся кратер. Обилие мелких кратеров микронного и миллиметрового диаметров свидетельствует о беспрепятственной метеоритной бомбардировке лунной поверхности, обусловленной отсутствием атмосферы и продолжающийся поныне. Например, только за четыре года осуществления американской программы «Аполлон» установленные сейсмографы зарегистрировали 12 000 сейсмических тол­чков, из них 1700 пришлось на долю сильных ударов метеоритных тел.

Однако часть кратеров, например Коперник (диаметр 100 км), имеет вулканическое происхождение. Об этом говорит сложный гористый рельеф их поверхности, слоистое строение стенок кратера. Это структура не ударного происхождения, а образовавшаяся в результате проседания.

Анализ доставленных на Землю образцов лунных пород и грунта показал, что это древнейшие образования, имеющие возраст от 3,3 до 4,2 млрд. лет. Следовательно, возраст Луны близок к возрасту Земли – 4,6 млрд. лет, что позволяет уверенно предполагать их одновременное образование.

Лунный грунт (реголит) имеет плотность 1,5 г/см³ и сходен по химическому составу с земными породами. Малая плотность его объясняется большой (50%) пористостью. Среди твердых пород были выделены: «морской» базальт (содержание кремнезема 40,5%), габбро-анортозиты (содержание SiО₂ – 50%) и дацит с высоким содержанием кремнезема (61%), приближающим его к земным кислым (гранитным) породам.

Анортозитовые породы имеют наиболее широкое распространение на Луне. Это самые древние образования. По данным сейсмических исследований, проведенных с помощью шести сейсмографов, установленных американскими астронавтами, выявлено, что лунная кора до глубины 60 км состоит преимущественно из этих пород. Предполагается, что нориты образовались в результате частичного плавления анортозитов. Анортозиты слагают преимущественно возвышенные части лунной поверхности (континенты), нориты – горные области. Базальты покрывают обширные поверхности лунных морей и имеют более темную окраску. Они сильно обеднены кремнеземом и по химическому составу близки к Земным базальтам. Замечательно, что астронавтами не было доставлено ни одного образца морских осадочных пород. Это значит, что на Луне никогда не было морей и океанов, а выносимая с вулканизмом на поверхность вода диссипировала. Из-за малой массы скорость преодолевания газовыми молекулами силы лунного притяжения составляет всего 2,38 км/с. В то же время при нагревании скорость легких молекул – более 2,40 км/с. Поэтому Луна не может удерживать свою газовую атмосферу – она быстро улетучивается.

Средняя плотность так называемых «морских» базальтов – 3,9 г/см³, а анортозитовых пород – 2,9 г/см³, что выше средней плотности земной коры – 2,67 г/см³. Однако низкая средняя плотность Луны (3,34 г/см³) указывает на общее однородное строение ее недр и отсутствие у Луны железного ядра сколько-нибудь значительных размеров.

Но нельзя совсем исключать наличие очень небольшого металлического ядра первичной конденсации, вокруг которого происходило формирование силикатной лунной оболочки.

В пользу предположения об однородной Луне говорит близость ее момента инерции I/Ma² к предельному значению, равному 0,4. Напомним, что для Земли величина I/Ma² = 0,33089, что соответствует значительной концентрации массы в центре планеты и согласуется с ее общей высокой средней плотностью.

Слабое изменение плотности  и силы тяжести g с глубиной в случае однородной модели позволяет определить давление в центре Луны из простого соотношения: Р = gR, где g = 1,63 м/с²,  = 3,34 г/см³, R = = 1738 км. Отсюда Р  4,710⁴ атм. На Земле такое давление достигается на глубине порядка 150 км.

Изучение распространения сейсмических волн показало, что почти все возмущения возникали глубоко в недрах Луны на глубине около 800 км. Эти лунотрясения происходили периодически и связаны с приливным возмущением со стороны Земли. Не коррелирующиеся с приливами лунотрясения вызываются тектоническим механизмом освобождения энергии – они значительно сильнее первых (Хаббард, 1987).

Глубже 1000 км поперечные волны плохо проходят. Эта область Луны, по-видимому, является аналогом земной астеносферы (Хаббард, 1987). Вещество здесь пребывает в расплавленном состоянии. Этот вывод подтверждается и тем фактом, что глубже 1000 км очаги лунотрясений не наблюдались.

У Луны не обнаружено собственного дипольного магнитного поля. Поэтому большой сенсацией было открытие астронавтами магнетизма лунных пород. Так, в районе моря Дождей измеренное поле было 6 нТ, в океане Бурь – 40 нТ, а на насыпном валу Фра-Мауро – 100 нТ. В районе кратера Декарт вдоль профиля наблюдений в несколько километров поле сильно менялось, достигая 300 нТ. Оказалось также, что кора континентов намагничена сильнее коры лунных морей. По современным оценкам, величина магнитного момента диполя Луны в миллион раз слабее земного. Это составляет всего несколько единиц нанотесл (гамм) на лунном магнитном экваторе. По образцам горных пород установлено, что основными носителями лунного магнетизма являются частички железа. Все это свидетельствует о существовании ранее более мощного собственного магнитного поля у Луны, когда ее осевое вращение было более быстрым и действовал вулканизм. Значит, Луна вначале обладала достаточно мощным расплавленным внешним ядром, в котором эффективно действовал механизм гидромагнитного динамо, подобный тому, что имеет место на Земле. Сегодня же на Луне регистрируется лишь остаточный магнетизм, законсервировавший память прошлых луномагнитных эпох.

Приливные возмущения Луны имеют, вероятно, для истории Земли такое же значение, что и возмущения Солнца для Меркурия и Венеры. Тесная связь между периодичностью максимальных приливных возмущений и проявлений вулканизма известна не только на Луне, но и на Земле. Но эти возмущения на Земле захватывают не только водную оболочку и ее поверхность. Периодические взаимные смещения испытывают частицы вещества внутри нашей планеты, особенно в ее расплавленных зонах – внешнем ядре и астеносфере. Постоянное приливное перемешивание вещества и возникающая при этом добавочная теплота от взаимного трения частиц должны были способствовать ускорению процессов термохимических реакций и общей дифференциации вещества. Возникавшие при этом уменьшения давлений или повышения температуры способны были в условиях расплавленных зон Земли и Луны ускорить химическое разложение дигидритов (MeH₂) и пероксидов (MeO₂) металлов протовещества.

Таким образом, Луна для Земли явилась своего рода катализатором и регулятором внутренней активности. Не будь ее, эволюция протовещества в земных условиях, несомненно, сильно замедлилась бы. Аналогичную роль сыграла Земля для Луны.

И, наконец, еще один важный аспект проблемы. Приливное взаимодействие Земли и Луны постепенно уменьшает скорость вращения обеих планет. В результате, как отмечалось, Луна уже прекратила свое вращение и постоянно обращена к Земле одной стороной. С момента своего образования значительно уменьшилась и скорость вращения Земли. Это находит подтверждение в непосредственных астрономических измерениях, а также при изучении древних вавилонских, египетских и шумерских записей о наблюдениях солнечного затмения, выполненных более 2000 лет назад. Дополнительную информацию по этому вопросу дают исследования ископаемых кораллов различного возраста. Было установлено, что по сравнению с силуром (440 млн. лет назад) скорость вращения Земли уменьшилась на 2,47 часа. На столько же увеличилась продолжительность суток. Все три рассмотренных и независимых источника дают один внутренне согласованный результат: уменьшение скорости вращения Земли происходит в среднем на две секунды в каждые 100000 лет.

Вследствие уменьшения скорости вращения Земли происходит обмен моментами количества движения с Луной. В результате скорость вращения Луны вокруг своей оси уменьшалась быстрее, чем Земли, и одновременно возрастало расстояние между ними. Средняя скорость удаления спутника, по расчетам П. Мельхиора (1976), составляет 3,6 см в год. Если бы это удаление шло так же равномерно, как и замедление скорости (3,6 см в год) за 4,5 млрд. лет Луна удалилась бы от Земли на расстояние 162 тыс. км. Следовательно, сразу после образования планет она находилась на расстоянии, в 2,4 раза меньше современного. Столь близкое расположение Луны должно было бы вызвать на Земле катастрофические приливные деформации коры и глубинного вещества. Это событие должно было бы отразиться в докембрийской геологии в виде колоссального по объему вулканизма и других явлениях. Одновременно аналогичные события должны были произойти и на Луне. Однако ничего подобного в действительности не запечатлено в истории обеих планет. Следовательно, есть основания предположить, что современная скорость приливного торможения не всегда была таковой, а приобретена Землей лишь сравнительно недавно.

С другой стороны, наблюдаемое приливное торможение вызвано главным образом океанскими приливными волнами. Не будь их, скорость торможения была бы значительно меньше. Но, как мы знаем, океаны современных размеров и глубин появились лишь в конце палеогена, т.е. 30 – 50 млн. лет назад. В докайнозойское время обширных и глубоководных бассейнов еще не было, а в небольших мелководных морях приливы ничтожно малы. Следовательно, современную скорость удаления Луны, вызванную приливным торможением Мирового океана, мы должны распространять не на всю историю Земли, а лишь на период океанизации, т.е. 30 – 50 млн. лет. С учетом сказанного найдем расстояние, на которое удалилась Луна за последние 50 млн. лет: 3,6 см/год5010⁶ лет = 18010⁶ см, т.е. удаление составило 1800 км.

В докайнозойскую эпоху вследствие слабого приливного торможения скорость удаления была по меньшей мере на порядок ниже современной: 0,36 см/год4,510⁹ лет = 1,6210⁹ см, т.е. удаление составило 16200 км. Следовательно, Луна и Земля в момент своего образования находились всего на 17 – 20 тыс. км ближе, чем сейчас, что не могло существенно повлиять на величину тогдашних приливов.

Таким образом, наибольшее приливное торможение Земля испытывала в конце первой крупной фазы океанизации, т.е. в конце палеогена. До этого она вращалась с большей скоростью и должна была иметь большее полюсное сжатие и, следовательно, большее вздутие по экватору. Из наблюдений эволюции c искусственных спутников Земли такое вздутие экватора действительно установлено и составляет 70 м. Было также доказано, что оно не соответствует современной скорости вращения. Следовательно, возраст установленного экваториального вздутия составляет 25 – 50 млн. лет. Оно приобретено планетой в докайнозойскую эпоху при большей, чем теперь, скорости вращения.

Все имеющиеся данные указывают, что первоначальные скорости вращения Луны и Земли были значительно больше современных, а их гравитационное взаимодействие сильнее вследствие более близкого расположения их на орбите (Орлёнок, 1980). В этих условиях становятся понятными причины быстрого разогрева планеты, образования термореакционных зон внутри Земли и более раннее завершение активности Луны. Приливные перемещения частиц протовещества способствовали быстрому выделению огромных количеств тепла и разогреву недр планеты. В условиях Луны вследствие большей массы Земли приливный эффект был значительно больше, что ускорило процессы ее эволюции. Вот почему геологическая активность Луны закончилась так рано 3 – 3,6 млрд. лет назад.

В конце концов наступит момент, когда Земля также полностью прекратит свое вращение и будет постоянно обращена к Луне одной стороной. Но поскольку земное магнитное поле создается в результате быстрого вращения планеты, то оно исчезнет так же, как исчезло у Луны, Меркурия и Венеры, давно остановивших свое вращение под действием сил тяготения Земли и Солнца.

Итак, роль Луны в жизни Земли оказывается значительной. Это позволяет по-новому взглянуть на роль спутников в процессе эволюции других планет.