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.

---

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.

Характер зон раздела между горами и окружающими районами свидетельствует в пользу переноса материала возвышенностей вниз по склонам. Камни часто концентрируются вдоль разломов я пиков, что, по-видимому, вызвано переносом мелких частиц вниз, приводящим к обнажению ранее погребенных камней. В горных районах на любой широте местные низменности являются относительно плоскими. Это также можно рассматривать как результат переноса вещества с соседних склонов вниз.

По-видимому, сейчас мы наблюдаем запечатленные на поверхности результаты перемещений мелких частиц грунта, происходивших в течение миллионов лет до «космической эры». Имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии пыли в окололунном пространстве. Так, например, еще приборами «Сервейеров» было зарегистрировано свечение лунного горизонта, продолжавшееся в течение 90 мин после захода Солнца. С помощью «Сервейера-7», в частности, было зарегистрировано свечение горизонта, распространявшееся на 2–3° в каждую сторону от линии захода Солнца и приподнятое по вертикали на 3 — 30 см над линией горизонта, причем интенсивность свечения монотонно уменьшалась со временем.

Было предложено следующее объяснение этому явлению. Вблизи поверхности, видимо, имелось облако взвешенных частиц лунного грунта, которые и рассеивали солнечный свет в полностью затемненную область, где стоял космический аппарат. Расчет рассеяния света на пылевых частицах позволил оценить их радиус — 5–6 мкм.

Интересную информацию дали оптические эксперименты, проводившиеся на «Луноходе-2». Установленный на нем астрофотометр регистрировал яркость лунного неба в оптическом и- ультрафиолетовом диапазонах спектра. Была зарегистрирована избыточная по сравнению с ожидаемой яркость в течение лунного дня и лунной ночи, особенно сильная в видимой области спектра. Ее изменение в зависимости от зенитного расстояния Солнца может быть объяснено наличием в окололунном пространстве неких частиц, рассеивающих свет. Причем оптические характеристики этих частиц оказались такими же, как у лунной пыли.

Необычные оптические эффекты были замечены также при наблюдениях, проведенных «на окололунной орбите во время полета кораблей «Аполлон». Командир «Аполлона-17» Ю. Сернан делал зарисовки своих визуальных наблюдений, в частности отмечал появление свечения над лунным горизонтом при восходе Солнца. За 2 мин до восхода Солнца на фоне свечения появились своеобразные лучистые структуры — «стримеры», интенсивность которых быстро увеличивалась. Скорость изменения яркости «стримеров» и их угловые размеры (более 30°) указывают на то, что они производились каким-то процессом, действующим в окрестностях Луны, Образование «стримеров» может быть вызвано некоторыми действительными физическими вариациями в концентрации пыли. Характерно, что «стримеры» не наблюдались в течение полета «Аполлона-16» (за полгода до «Аполлона-17»), и, следовательно, области рассеивающих частиц не могут быть постоянными по природе (концентрация частиц в них может существенно изменяться со временем).