1. Физические условия на Луне. Луна — единственный естественный спутник Земли. Это тело шарообразной формы диаметром 3476 км. Масса Луны всего в 81 раз меньше массы Земли. Средняя плотность Луны равна 0,6 плотности Земли, а ускорение свободного падения в 6 раз меньше земного, т. е. на лунной поверхности предметы весят в 6 раз меньше, чем на Земле. Солнечные сутки на Луне продолжаются синодический месяц (29,5 земных суток). На Луне нет воды в жидком виде и практически нет атмосферы. За лунный день, который длится около 15 земных суток, поверхность успевает нагреться до +127 °С, а ночью охладиться до -173 °С. При высоких температурах скорость газовых молекул превышает вторую космическую скорость для поверхности Луны, равную 2,38 км/с, поэтому газы, выделяющиеся из недр спутника Земли или образующиеся при падении метеорных тел, быстро покидают Луну. Без газовой атмосферы Луна подвержена воздействию всех видов электромагнитного излучения Солнца, а также ударам метеорных тел разного размера.
Невооружённым глазом на лунной поверхности различимы светлые и тёмные участки. На тёмные, относительно ровные области поверхности, названные «морями», приходится 16,9 % всей поверхности Луны.
Более светлые гористые участки, так называемые «материки», занимают оставшуюся поверхность и характеризуются наличием горных хребтов, кольцевых гор, кратеров (рис. 71). Первую подробную лунную карту составил в 1647 г. польский астроном Ян Гевелий. С того времени до наших дней сохранились названия морей — Море Спокойствия, Море Кризисов и др. Названия горных хребтов, тянущихся обычно вдоль окраин морей, созвучны земным — Апеннины, Кавказ, Карпаты и др. Апеннины имеют максимальную высоту около 6 км, а Карпаты — лишь 2 км (рис. 72).
Самыми многочисленными образованиями на лунной поверхности являются кратеры (рис. 73). Их размеры колеблются от микроскопических до более 100 км в диаметре.
Кратер состоит из кольцевого вала и внутренней равнины. У большинства «молодых» кратеров на дне возвышаются центральные горки. В полнолуние у «молодых» кратеров, имеющих метеоритное происхождение, можно видеть лучевые системы — светлые полосы, радиально отходящие от кратера и тянущиеся на сотни километров.
Удар крупного метеорита или небольшого астероида о поверхность Луны сопровождается взрывом. При этом происходит выброс лунного вещества под разными углами. Значительная его часть попадает в космос, однако некоторая доля падает обратно на её поверхность. Из струй измельчённого вещества формируются лучевые системы. Для наблюдателя лучи кажутся более светлыми потому, что они отражают свет лучше, чем плотное вещество того же состава.
Крупные и средние кратеры названы в честь выдающихся учёных: Птолемей, Архимед, Платон, Коперник, Тихов, Шмидт и др.
Космические исследования существенно углубили наши знания о Луне. В 1959 г. советским аппаратом «Луна-3» была впервые сфотографирована обратная, невидимая сторона Луны. В 1965 г. появилась первая полная карта Луны, составленная под научным руководством Ю. Н. Липского.
Американские астронавты Нил Армстронг и Эдвин Олдрин стали первыми людьми, ступившими на поверхность Луны 20 июля 1969 г. Астронавты, находясь на Луне, могли видеть на небе нашу Землю (рис. 74). Американские космические корабли серии «Аполлон» в течение последующих трёх лет шесть раз доставляли в разные места Луны экспедиции (12 астронавтов занимались исследованиями в местах посадок, им удалось собрать более 360 кг лунных образцов). Лунные породы доставляли и советские автоматические станции «Луна».
Поверхностный слой естественного спутника Земли состоит из мелкообломочного материала — реголита (рис. 75) и имеет толщину около 10 м. В состав лунного реголита входят также стеклянные сферические микрочастицы. Дробление лунных пород происходит в основном из-за микрометеоритной бомбардировки и резких перепадов температуры. Реголит обладает малой плотностью (верхний слой 1200 кг/м3) и очень низкой теплопроводностью (в 20 раз меньше воздуха), поэтому уже на глубине около 1 м колебания температуры практически не ощутимы.
По химическому составу лунные породы очень близки базальтовым породам Земли. Породы лунных морей отличаются высоким содержанием оксидов железа и титана, материковые — высоким содержанием оксидов алюминия.
В последнее время космические станции обнаружили запасы водяного льда в полярных областях Луны. Поскольку угол наклона лунного экватора к эклиптике всего 1,5°, то дно даже неглубоких кратеров в полярных областях никогда не освещается солнечными лучами. При постоянной температуре -173 °С дно полярных кратеров покрывает смесь реголита со льдом. Источником возникновения и накопления лунных полярных льдов могут быть упавшие в эти области кометы, которые представляют собой ледяные тела.
Внутреннее строение Луны изучено по записям сотрясений от ударов метеоритов, которые фиксировались доставленными на Луну сейсмографами. Под слоем реголита располагается кора, толщина которой на видимой (обращённой к Земле) стороне составляет 60 км, а на обратной — 100 км. Под корой находится мантия, толщина которой около 1000 км.
Зона глубже 1600 км напоминает земную мантию, имеет толщину 430 км и температуру около 1800 К. Последние исследования подтвердили, что в центре Луны
находится металлическое ядро радиусом около 300 км, масса которого составляет около 3 % от общей массы Луны.
Существует несколько гипотез образования Луны. По одной из самых популярных Луна образовалась вместе с Землёй из одной планетезимали. Было предположение, что Земля могла разделиться на две части и что впадина Тихого океана — это «яма», оставшаяся после того, как Луна «вырвалась» из Земли.
Некоторые учёные полагают, что Луна образовалась путём объединения крошечных камешков, обращавшихся вокруг Земли 4,5 млрд лет назад. Накопление частиц под действием сил гравитации, действующих вблизи Земли, стало «уменьшенным» вариантом такого же процесса, который происходил в первичной солнечной туманности и привёл к рождению планет.
Рассматривается и такой механизм образования Луны. Земля, прошедшая основные стадии дифференциации вещества, столкнулась с крупным небесным телом (размером с Марс). Косой удар разрушил только верхние слои земных недр. На околоземную орбиту было выброшено вещество земной коры и мантии, из которого путём слияния сформировался спутник Земли.
Параметры Луны смотрите в таблице 10.
Таблица 10 — Параметры Луны
2. Спутники планет. В Солнечной системе на начало 2021 г. известно 205 естественных спутника планет. Семь спутников, включая Луну, имеют диаметр больше 2500 км, а Ганимед и Титан (табл. 11) даже превосходят по размеру Меркурий.
Таблица 11 — Крупные спутники планет
Характеристики |
Спутники
|
||||||
Планета |
Юпитер
|
Сатурн
|
Юпитер
|
Юпитер
|
Земля
|
Юпитер
|
Нептун
|
Диаметр, км | 5268 | 5152 | 4820 | 3642 | 3476 | 3130 | 2700 |
Масса, *1023 кг | 1,48 | 1,35 | 1,08 | 0,893 | 0,735 | 0,485 | 0,215 |
Плотность, кг/м3 | 1930 | 1900 | 1830 | 3550 | 3340 | 3040 | 2100 |
Температура поверхности, °С | -163 | -179 | -140 | -163 | от – 173 до + 127 |
-140 | -235 |
Небольшие спутники размером в десятки километров представляют собой каменные или ледяные тела неправильной формы. Их поверхности усеяны кратерами и покрыты мелкой пылью. Средние спутники (в несколько сотен километров) в основном шарообразные и имеют малую плотность. По внешнему виду их поверхность напоминает лунную. Отличаются разнообразием 7 крупнейших спутников. По своему строению они больше похожи на планеты земной группы. Крупнейшие спутники Юпитера были открыты ещё в 1610 г. Галилеем. Однако основные сведения о природе крупных спутников планет-гигантов получены в результате исследований с помощью космических аппаратов.
Модель внутреннего строения крупных спутников предусматривает наличие у них трёх оболочек: коры, мантии и ядра. Ядром, содержащим соединения железа и занимающим от 0,3 до 0,6 радиуса спутника, обладают Ио (рис. 76), Европа (рис. 77) и Ганимед. У Тритона и Каллисто каменистые ядра такого же или даже большего размеров.
Силикатная (каменистая) кора Ио имеет толщину 30 км. Под ней на глубине 100 км находится жидкая магма, температура которой достигает 1600 К. Магма питает многочисленные вулканы Ио. Остальные спутники покрыты ледяной оболочкой разной толщины, под которой расположена каменистая мантия.
На поверхности Тритона и Ганимеда видны следы тектонической деятельности: разломы, сжатия, трещины, мелкие хребты. Каллисто отличается от них наличием многочисленных кратеров ударного происхождения.
Ледяную оболочку Европы пересекает сеть светлых и тёмных узких полос. Это трещины в толстой ледяной коре, вызываемые приливными воздействиями Юпитера. Многолетние наблюдения за рисунком, который образуют трещины, показали, что ледяные массы немного смещаются относительно друг друга. Это значит, что подо льдом находится вода. В некоторых местах ледяного панциря Европы космический аппарат «Галилео» сфотографировал странные хаотические нагромождения старых льдин, вмороженных в свежий лёд.
Эти структуры называются «хаосами» Рисунок 79 — Хаосы на Рисунок 80 — Спутник Сатурна — спутнике Юпитера Европа Титан — имеет очень плотную атмосферу (рис. 79). Они свидетельствуют о том, что время от времени лёд подтаивает, но потом снова застывает. Не успевшие растаять льдины оказываются вмороженными в новый лёд. О том, что ледяная поверхность Европы молода, свидетельствует и почти полное отсутствие на ней ударных кратеров.
На Ио нет признаков существования значительного количества воды ни внутри спутника, ни тем более на его поверхности. Зато там открыты многочисленные вулканические извержения. Выброшенные вулканами и оседающие на поверхности соединения серы придают спутнику окраску от белой до ярко-красной и чёрной (см. рис. 76). При этом цвет зависит от температуры вещества. Из жерла вулканов газы выбрасываются на высоту около 500 км со скоростью примерно 1 км/с. Газовые гейзеры замечены над полярной шапкой Тритона. Струи тёмного вещества вырываются вверх с его поверхности и достигают высоты 8 км.
Наиболее мощную атмосферу имеет Титан (рис. 80). Она на 60 % более плотная, чем на Земле, и примерно на 95 % состоит из азота. Давление у поверхности в 1,5 раза превышает земное. Космический аппарат «Гюйгенс» в 2005 г. обнаружил горные хребты, русла рек, озёра жидкого метана и этана.
Разреженную атмосферу из азота и метана имеет Тритон (10-5 земной). Слабая атмосфера из молекулярного кислорода окутывает Ганимед и Европу (10-9 и 10-11 земной). Образуется она так: солнечный свет, космические лучи и микрометеориты выбивают с ледяной поверхности молекулы воды, которые под действием ультрафиолетового излучения распадаются на атомы водорода и кислорода. Атомы водорода сразу же покидают атмосферу, а атомы кислорода объединяются в молекулы. Разреженная атмосфера из углекислого газа есть у Каллисто, такой же разреженной атмосферой из оксидов серы и вулканических газов обладает Ио (10-9 земной).
У нескольких крупных спутников обнаружены собственные магнитные поля.
Из планет земной группы, кроме Земли, только Марс имеет два спутника, открытых в 1877 г. американским астрономом Асафом Холлом. Это небольшие каменистые тела неправильной формы размером 27 х 19 км — Фобос (рис. 81) и 16 х 11 км — Деймос.
Изображения некоторых других спутников планет Солнечной системы представлены на рисунках 82—84.
Главные выводы
1. Луна — спутник Земли и ближайшее к Земле небесное тело. 2. По своей природе Луна, как и другие крупные спутники планет, близка к планетам земной группы. 3. Небольшие спутники планет (размером в десятки километров) представляют собой каменистые или ледяные тела неправильной формы.
Контрольные вопросы и задания
1. Охарактеризуйте физические условия на луне. Чем они отличаются от привычных нам условий на Земле?
2. Какие детали на луне видны невооружённым глазом, а какие — в телескоп?
3. Приведите примеры названий некоторых лунных кратеров, морей и горных хребтов.
4. Почему обратную сторону луны удалось сфотографировать только при её облёте на космическом аппарате?
5. Что собой представляет лунный грунт? Отличается ли он от земного?
6. Опишите внутреннее строение луны. Каким образом оно было изучено?
7. Какие гипотезы образования луны вы знаете?
8. Назовите крупнейшие спутники планет Солнечной системы. Расскажите о некоторых характерных особенностях каждого из них.