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.

---

Визуальные наблюдения астронавтов на окололунной орбите могут быть объяснены рассеянием света пылевой средой, простирающейся за пределы орбиты корабля (120 км). Наиболее вероятные размеры частиц пыли оцениваются в 0,1 мкм. Результаты описанных наблюдений дают хорошее согласие с данными «Лунохода-2».

Каким же образом попадают частицы лунного грунта на такие высоты? Каковы механизмы подъема и переноса лунного вещества?

Однозначного ответа ученые пока не нашли. Наиболее вероятным считается так называемый электростатический механизм. В одном из вариантов этого механизма учитывается горизонтальный перенос лунной пыли, выбитой с поверхности ударами микрометеоритов, в слабом электрическом поле. Это поле образуется при ионизации атомов грунта под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, и его величина достаточна для поддержания во взвешенном состоянии небольших заряженных пылинок. Удары микрометеоритов разрушают материал поверхности и выбивают частицы пыли — мельчайшие из них ускоряются в электрическом поле и ускользают в межпланетное пространство, преодолев притяжение Луны, наиболее крупные частицы материала опускаются в непосредственной окрестности падения микрометеорита, и только часть изверженного материала имеет массу, пригодную для переноса силами электрического поля. Эти частицы движутся за счет горизонтальной составляющей начальной скорости, «подпрыгивая» в электростатическом поле Луны. Время их жизни в полете над освещенной плоской равниной оценивается от 4 до 300 ч.

Другой вариант электростатического механизма «работает» только в зоне терминатора.[2] При прохождении последнего по лунной поверхности отдельные мелкие возвышенности (бугорки, камни и т. д.) остаются частично освещенными довольно длительное время, а соседние участки находятся в тени. На границе между освещенной и совершенно темной областями при взаимодействии рентгеновского и ультрафиолетового излучений Солнца с лунной поверхностью возникают электрические поля, причем значительно более сильные, чем в рассмотренном выше варианте. Эти поля могут поднимать мельчайшие заряженные частицы лунного грунта на некоторую высоту. Дальнейшее свое движение пылинки совершают уже под действием гравитационных сил, например, перемещаясь вниз по склонам и засыпая дно кратеров. В пользу рассмотренного механизма говорит такой факт: когда интенсивность рентгеновского излучения Солнца возрастала (а это должно приводить к увеличению количества пылинок над лунной поверхностью, которые рассеивают видимый солнечный свет), то возрастала и интенсивность свечения лунного горизонта, измеренного «Сервейерами».

До настоящего времени непосредственная проверка в лунных условиях предложенных электростатических механизмов не проводилась. В лабораторных условиях на Земле велось экспериментальное моделирование некоторых сторон этого процесса, причем на аналогах лунного грунта и на натуральных образцах лунного вещества подтверждена возможность электростатического переноса. Возникли, однако, принципиальные трудности, связанные с невозможностью обеспечения в модельных экспериментах тех же условий, что и на Луне (в частности, очень высокого вакуума, необходимого для реализации электростатических эффектов). Поэтому проведенные к настоящему времени лабораторные исследования не являются достаточно полными и не привели к определенным количественным выводам. В связи с этим представляется целесообразным обсудить ряд экспериментов, выполнение которых в лунных условиях позволило бы определенно судить об эффективности электростатического механизма переноса.

При переносе вещества резкая граница между двумя соседними поверхностями должна размываться, а частицы — перемешиваться. Изменение некоторых свойств этих поверхностей, например химического состава, радиоактивности, оптических характеристик, как раз и может быть определено количественно, в частности для двух смежных естественных разнородных поверхностей, которыми являются лунные «моря» и «материки» (изучению подлежат свойства типичного «моря», типичного «материка» и переходной зоны между ними).

Подобные исследования начались экспериментами на «Луноходе-2». При этом был успешно применен рентгеновский флуоресцентный метод анализа грунта, использование которого для этих целей кажется весьма перспективным.

Однако изучение границы естественных разнородных поверхностей весьма затруднительно из-за отсутствия точных данных об их первоначальных свойствах и о времени начала процесса переноса. Значительно более информативными представляются исследования «размытия» границ между разнородными материалами.

Возможен такой ход исследования. На лунный грунт помещается некоторое «пятно» (или группа «пятен») «искусственного» грунта с четкими границами. Затем через определенные промежутки времени производится исследование «размытия» границы двух разнородных поверхностей на основании комплексного изучения изменений области раздела. Количество и характер распределения частиц «искусственного» грунта на окружающей поверхности служат мерой скорости переноса. При этом механические и электрические свойства этого грунта не должны сильно отличаться от «лунных». Вещество не должно изменять своих характеристик при длительном пребывании на Луне в условиях глубокого вакуума, космической радиации, резких перепадов температуры, а также отвечать требованиям, вытекающим из особенностей доставки этого вещества на Луну, упаковки и способа нанесения на поверхность.

Наряду с этими экспериментами важно продолжать систематические исследования оптических эффектов в окололунном пространстве. Причем регистрацию свечения лунного горизонта желательно проводить при различных вариантах расположения аппаратуры относительно деталей рельефа, а визуальные наблюдения орбитальных восходов Солнца необходимо контролировать приборами.

Кроме того, наблюдения яркости лунного горизонта целесообразно проводить в течение длительных промежутков времени как в ночных, так и в дневных условиях. В ночное же время можно исследовать и эффекты взаимодействия метеоритных тел с лунной поверхностью, регистрируя возникающие при этом оптические вспышки. Возможны и другие эксперименты, например с использованием системы детекторов для определения направления и величины импульса частиц лунного реголита, приведенных в движение электростатическим или иным механизмом.

Экспериментальные исследования явлений переноса вещества на лунной поверхности позволят выяснить роль Солнца в эволюции рельефа Луны, а также помогут ответить на вопрос, почему обратная сторона Луны, сплошь покрытая кратерами и «материковыми» возвышенностями, так разительно отличается от видимой стороны Луны, значительную часть которой занимают «морские» низменности? Таким образом, проблема переноса вещества на лунной поверхности, являющаяся частью более общей проблемы — формирования лунного рельефа, — безусловно, займет соответствующее место в последующих экспериментальных исследованиях Луны.

ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТОВ «СЕРВЕЙЕР»

Запуски американских аппаратов типа «Сервейер» имели целью не только измерение химического состава грунта — планировалось и изучение лунного рельефа, гравитационного поля Луны, а также различных физических условий на лунной поверхности. Осуществление этой программы началось в 1966 г., когда «Сервейер-1» совершил мягкую посадку в Океане Бурь и передал на Землю изображения лунной поверхности. С помощью прилунившегося в апреле 1967 г. «Сервейера-3» проводилось (помимо телевизионной съемки поверхности) определение механических свойств грунта. Запуски «Сервейера-2 и -4» окончились неудачей.

Последние три аппарата этой серии — «Сервейер-5, -6 и -7», запущенные в 1967–1968 гг., передали цветное изображение лунной поверхности, исследовали механические свойства лунного грунта, а также произвели определение в нем содержания ряда элементов методом «обратно рассеянных альфа-частиц».

Суть этого метода в следующем. Альфа-частицы, испущенные радиоактивными источниками, при столкновениях с ядрами атомов испытывают рассеяние, причем энергия рассеянных частиц зависит от сорта ядер и от угла, под которым вылетела рассеянная частица. Если облучить какое-либо вещество альфа-частицами строго определенной энергии и установить (под фиксированным углом) счетчик рассеянных частиц, то он будет регистрировать альфа-частицы лишь определенных энергий, соответствующих наличию в изучаемом веществе тех или иных химических элементов, т. е. будет получен определенный спектр альфа-частиц. В действительности же, из-за особых свойств радиоактивных источников и счетчиков спектр будет состоять не из линий, а из «обрывов», соответствующих положению этих линий (рис. 5). По положению «обрывов» и определяют, какие элементы присутствуют в исследуемом образце.