Сергей Викторов - Химия лунного грунта

• Название: Химия лунного грунта
• Автор: Сергей Викторов
• Издательство: Знание
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1978

В исследованиях химического состава грунта Луны, а в перспективе и планет Солнечной системы особое место занимает рентгеновский изотопный флуоресцентный метод анализа (РИФМА). В брошюре участники создания аппаратуры РИФМА, используемой при работе советских «Луноходов», рассказывают о физических основах этого метода, а также приводят результаты химического анализа лунного грунта, полученные с помощью как данного, так и других методов, применявшихся, В частности, при работе некоторых американских автоматических станций.

Брошюра рассчитана на студентов и преподавателей вузов, учителей средних школ, а также на более широкий круг читателей, интересующихся современными достижениями в области космических исследований.

---

В заключение этого раздела отметим, что в СССР исследованием образцов лунного грунта занимаются многие научные учреждения. До последнего времени этими работами руководил выдающийся советский ученый академик А. П. Виноградов (1895–1975), в течение многих лет возглавлявший Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского.

Лабораторные исследования образцов лунного грунта представляют собой замечательный пример международного сотрудничества ученых. Так, Академия наук СССР и Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям США (НАСА) не только осуществили взаимный обмен образцами лунного грунта, но и предоставили их для изучения ученым многих стран.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, химический состав поверхностного слоя лунного грунта исследовался как автоматами непосредственно на Луне, так и в земных лабораториях. Но ведь Луна находится от нас сравнительно «близко» — на расстоянии всего лишь 380 000 км. А каковы перспективы подобных исследований других планет Солнечной системы, в первую очередь ближайших к нам — Марса, Венеры, Меркурия?

Здесь возникают значительные трудности, и дело, к сожалению, не только в огромных расстояниях. Рассматривая те два метода, которые были применены для исследования химического состава грунта на поверхности Луны, можно отметить, что метод «обратно рассеянных альфа-частиц» может быть использован только при работе в вакууме. Кроме того, наличие даже разреженной атмосферы ограничивает использование и рентгеновского флуоресцентного метода, поскольку не позволяет регистрировать мягкое флуоресцентное излучение легких элементов (магния, алюминия, кремния).

Таким образом, исследование химического состава горных пород в их естественном залегании с помощью этих методов возможно лишь на небесном теле, лишенном атмосферы. В противном же случае требуются специальные меры по подготовке образца перед проведением измерения. Серьезную трудность при исследовании Венеры и Меркурия также представляет высокая температура поверхности этих планет.

Большая по сравнению с Луной удаленность планет от нас создает, конечно, и значительные трудности в обеспечении надежной связи с аппаратом, находящимся на планете. Однако в настоящее время осуществляется дальняя связь в космосе на значительно большие расстояния, и основные трудности, связанные с расстоянием, возникают при желании исследовать планету с помощью аппаратов, передвигающихся по ее поверхности.

Время, необходимое для получения на Земле переданного с Луны телевизионного изображения окружающей местности, составляет немногим более 1 с. Столько же времени требуется для того, чтобы команда с Земли была принята самоходным аппаратом. Такие временные интервалы позволяют вполне оперативно следить за обстановкой на местности и вовремя подавать команду на остановку или поворот аппарата. В случае Марса даже при его наибольшем сближении с Землей это время составляет уже около 3 мин (для прохождения сигнала в одну сторону), что значительно усложняет проблему управления самоходным аппаратом с Земли, не говоря о других возникающих при этом проблемах.

При исследовании планет Солнечной системы еще долгое время первенствующая роль будет принадлежать автоматам. К настоящему времени советские и американские автоматические станции, достигшие ближайших к нам планет — Венеры и Марса, позволили получить много новых данных об этих планетах. В рамках материала данной брошюры следует кратко остановиться лишь на одном эксперименте, который является прямым продолжением исследований химического состава грунта, начатых советскими учеными на «Луноходе-1 и -2».

В августе — сентябре 1975 г. в США в сторону Марса были запущены один за другим два космических аппарата — «Викинг-1 и -2». Достигнув примерно через 11 месяцев Марса, они вышли на орбиту искусственных спутников. С орбитальных модулей кораблей на поверхность Марса в разные точки его поверхности, удаленные друг от друга на расстояние около 6500 км, были доставлены спускаемые аппараты.

Среди ряда экспериментов, проводимых этими аппаратами (включавших в себя также и эксперимент по обнаружению органической жизни на Марсе, не давший пока, к сожалению, однозначно интерпретируемых результатов), был и эксперимент по определению химического состава поверхностного слоя грунта Марса методом рентгеновского флуоресцентного анализа. Прибор для проведения этого эксперимента являлся дальнейшим развитием рентгеновской спектрометрической аппаратуры, предназначенной для космических экспериментов.

Марсианский грунт с помощью лопатки миниатюрного экскаватора насыпался в специальную камеру (рис. 13) объемом немногим более 4 см3. Два помещенных рядом радиоактивных источника облучали грунт через окна камеры; через эти же окна проходило ответное флуоресцентное излучение грунта, которое регистрировалось четырьмя детекторами. Для определения вклада элементов, имеющих близкую по значению энергию излучения, применялись фильтры (как и в экспериментах, описанных выше).

Рис. 13. Схема проведения эксперимента по исследованию химического состава поверхности Марса с помощью аппаратов «Викинг»: 1 — камера, в которую засыпался образец грунта; 2 — образец грунта; 3 — пропорциональный счетчик; 4 — радиоактивный источник (кадмий-109); 5 — коллиматор источника и защитный экран; 6 — тонкое пленочное окно в камере, через которое велся анализ

Был произведен анализ нескольких образцов грунта, взятых в разных точках вблизи посадочных блоков станций (пробы грунта могли быть взяты с глубины до 6 см от поверхности). Этот анализ позволил определить содержание в поверхностном слое Марса основных породообразующих элементов — магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция, титана, железа, — а также оценить концентрацию таких элементов, как, например, рубидий, стронций, иттрий и цирконий.

Полученные результаты оказались весьма любопытными. Сравнение с химическим составом земных и лунных пород показало, что спектр марсианского грунта (рис. 14) не совпадает ни с одним из спектров, полученных в наземных экспериментах. Так, например, марсианский грунт содержит мало алюминия, калия и титана, но зато сравнительно богат железом и очень богат серой (см. табл. 4).

Рис. 14. Спектр флуоресцентного излучения поверхности Марса в месте посадки спускаемого аппарата «Викинга-1». Для сравнения приведен (сплошной линией) наиболее близкий по характеру спектр, полученный при наземных испытаниях. Бросается в глаза значительное содержание серы в марсианском грунте

Таблица 4

Насколько полученные результаты отражают общую картину содержания элементов в поверхностном слое Марса, сказать пока трудно, поскольку анализ производился лишь в двух точках поверхности планеты. Однако первое, что бросается в глаза при сравнении химического состава обоих районов посадки спускаемых аппаратов «Викингов», это то, что состав всех исследуемых образцов грунта оказался практически одинаковым, хотя грунт для анализа брался в весьма удаленных друг от друга точках, с разной глубины и в виде зерен разного размера.

Сравнительно высокое содержание железа на Марсе подтверждает существующее мнение, что красный цвет поверхности этой планеты обязан своим происхождением наличию там окислов железа. Не исключено, что они могут покрывать снаружи зерна других минералов, но это покрытие должно быть тонким или прерывистым.

Все рекорды побила сера: ее содержание в грунте Марса оказалось на один-два порядка больше, чем в земных и лунных породах. Причина такой аномалии пока непонятна, как неясно, например, и то, в виде каких соединений может входить сера в минералы, слагающие поверхность Марса.

Характерным является и низкое содержание калия в марсианском грунте. Оно, по крайней мере, в 5–8 раз меньше, чем в земной коре. Отношение концентраций кальция к калию, составляющее величину порядка 10 (а, возможно, и выше), указывает на то, что поверхность Марса слагают не граниты (как это характерно для Земли).

В поверхностном слое Марса обнаружены стронций, иттрий и цирконий (около 0,01 % для каждого элемента). Их количества оказалось меньше, чем в земных вулканических породах.

Исследования Марса, как это обычно бывает, дали определенные результаты, но и поставили много новых вопросов. Многие факты, касающиеся как химического состава поверхности, так и рельефа и существенного различия во внешнем виде поверхности в разных районах, остаются пока загадочными. Однако ясно одно — эти исследования помогут получить ценную информацию о происхождении и эволюции планет Солнечной системы.