Лунные масконы. Детальное изучение поля силы тяжести Луны стало возможно после выведения космических спутников на орбиту искусственных спутников Луны. Наблюдения за орбитами спутников велись с помощью трех наземных станций.
По изменению частоты спутникового передатчика определялись так называемые «лучевые ускорения» — проекции ускорения силы тяжести на направление Земля — спутник (для центральной части видимой стороны Луны эти ускорения соответствовали вертикальной составляющей).
Первые построения картины гравитационного поля Луны были проведены советскими исследователями по результатам полета космического аппарата «Луна-10», в дальнейшем данные уточнялись по наблюдениям за орбитами искусственных спутников серии «Лунар Орбитар», а также на тех участках трасс космических кораблей «Аполлон», где их орбиты вокруг Луны определялись лишь полем ее силы тяжести.
Гравитационное поле Луны оказалось сложнее и неоднороднее земного, поверхность равного потенциала силы тяжести более неровная, и источники аномалий расположены ближе к поверхности Луны. Существенной особенностью лунного поля силы тяжести явились крупные положительные аномалии, приуроченные к круглым морям, которые были названы масконами (от английского — «концентрация масс»). При подлете к маскону скорость спутника возрастает; после пролета спутник слегка притормаживается, при этом высота орбиты меняется на 60 — 100 м.
Вначале были обнаружены масконы в морях видимой стороны: Дождей, Ясности, Кризисов, Нектара, Влажности; их размеры достигали 50 — 200 км (они укладывались в контуры морей), а величины аномалий составляли 100–200 мгал. Аномалия Моря Дождей соответствовала избытку массы порядка (1,5–4,5) х 10-5 массы всей Луны.
Впоследствии были открыты более массивные масконы на границе видимой и обратной сторон в Морях Восточное и Краевое, а также огромный маскон в экваториальной зоне центра обратной стороны Луны. В этом месте моря нет, поэтому маской назван «Скрытым». Его диаметр более 1000 км, масса в 5 раз превышает избыточную массу Моря Дождей. Скрытый маскон способен отклонить на 1 км спутник, летящий на высоте 100 км. Суммарная избыточная масса, соответствующая положительным аномалиям силы тяжести. превышает 10-4 массы Луны. Ряд отрицательных аномалий оказался связанным с лунными горами: Юра, Кавказ, Тавр, Алтай.
Аномалии силы тяжести отражают особенности распределения масс вещества в недрах Луны. Если, например, допустить, что масконы создаются точечными массами, то глубины их залегания должны составлять в Море Дождей около 200 км, в Море Ясности — 280 км, Кризисов — 160 км, Спокойствия — 180 км, Изобилия — 100 км, Познанном — 80 км, Океане Бурь — 60 км. Таким образом, измерения силы тяжести обнаружили неоднородное распределение плотности в верхней мантии.
Электропроводность. Ни одна из лунных экспедиций не провела непосредственных измерений электрического поля Луны. Оно было рассчитано по вариациям магнитного поля, зарегистрированного магнитометрами на станциях «Аполлона-12, -15, -16» и «Луноходе-2».
Луна, лишенная магнитосферы, при своем вращении вокруг Земли периодически оказывается в полнолуние в невозмущенной земной магнитосфере, в новолуние — в солнечном ветре и дважды по 2 дня — в переходном. ударном слое.
Флуктуации внешнего межпланетного магнитного поля проникают в Луну и индуцируют в ней поле вихревых токов. Время нарастания индуцированного поля зависит от распределения электропроводности в лунных недрах. Одновременные измерения внешнего переменного поля над Луной и вторичного поля на поверхности позволяют вычислить лунную электропроводность.
Луна устроена «удобно» для магнитно-теллурического зондирования. Межпланетное магнитное поле, вытянутое из Солнца, однородно, фронт его можно считать плоским, а потому для исследования не нужна, как на Земле, сеть лабораторий. Благодаря тому что Луна имеет более высокое электрическое сопротивление, чем Земля, для ее зондирования достаточно двух часовых наблюдений, тогда как на Земле нужны годовые.
Обтекающий Луну солнечный ветер, имеющий высокую проводимость, как бы окутывает Луну фольгой, не выпуская на поверхность индуцированные в недрах поля. Поэтому на солнечной стороне Луны можно использовать лишь горизонтальную компоненту переменного магнитного поля, тогда как на ночной стороне, где работает и вертикальная компонента, ситуация больше похожа на земную.
Магнитометрами «Аполлонов» была зарегистрирована реакция Луны в солнечном ветре на ночной и дневной сторонах, а также в геомагнитном шлейфе, где сведены к минимуму плазменные эффекты солнечного ветра.
В кратере Лемонье на солнечной стороне Луны на «Луноходе-2» было зафиксировано становление во времени флуктуации солнечного магнитного поля. При этом горизонтальная компонента магнитного поля отражает глубинную электропроводность Луны, а величина вертикальной компоненты на большом времени характеризовала напряженность внешнего поля Луны. Экспериментальный график кажущегося сопротивления интерпретировался путем сравнения с теоретическими кривыми.
Советскими (Л. Л. Ваньян и другие) и зарубежными (К. Сонет, П. Дайел и другие) исследователями построены различные модели электропроводности Луны, Отличаясь в некоторых деталях, они дают в общем сходные распределения электрических свойств лунного материала с глубиной: в верхних 200 км находится плохопроводящий слой с удельным сопротивлением более 106 ом · м; глубже залегает слой пониженного сопротивления (103 ом · м) мощностью 150–200 км, до 600 км сопротивление возрастает на порядок и далее опять убывает до 103 ом · м на глубине 800 км (рис. 9).
Рис. 9. Глубинная структура Земли (толстые линии) и Луны (тонкие) по геофизическим данным:
1 — скорости продольных волн; 2 — скорости поперечных волн; 3 — электропроводность. Вертикальная шкала — глубины по отношению к соответствующим радиусам Земли и Луны
Проведенные к настоящему времени электрические зондирования Луны выявляют следующие основные особенности:
Луна в целом имеет более высокое сопротивление, чем Земля. Сверху ее находится мощный изоляционный слой; с глубиной электропроводность растет. Обнаружено радиальное расслоение Луны и намечается неоднородность в горизонтальном направлении по электрическому сопротивлению.
По профилям электропроводности и зависимости проводимости от температуры оценена температура внутри Луны для разного состава мантии. Во всех случаях до глубины 600–700 км температура лежит ниже температуры плавления базальтов, а на больших глубинах достигает или превышает ее.
Сопоставление глубинных температур с температурами плавления пород при различных давлениях позволило ученым оценить такой важный физический параметр, как коэффициент вязкости. Он характеризует способность горных пород перемещаться под действием напряжений.
Верхняя 200 — 300-километровая оболочка Луны имеет очень большой коэффициент вязкости 1026 — 1027 пуаз. Это на 2–3 порядка выше, чем на соответствующих глубинах Земли, даже если брать самые жесткие регионы древних кристаллических щитов. От поверхности к центру Луны вязкость падает; глубже 500 км она уменьшается в 100 — 1000 раз, т. е. становится соизмеримой с вязкостью мантии Земли. В астеносфере Луны вязкость резко уменьшается до значений, свойственных астеносфере Земли (1020 — 1021 пуаз).
Тепловой поток. До полетов космических кораблей считалось, что содержание радиоактивных элементов 235U, 238U, 232Th, 40K в недрах Луны в среднем такое же, как в хондритовых метеоритах или в мантии Земли. Тепловой поток, идущий из недр Луны через ее поверхность, оценивался по аналогии с соответствующим потоком Земли, где ежесекундно через каждый 1 см2 поверхности «улетучивается» в космос 1,5 — 10-6 калл тепла. Радиус Луны в 3,6 раза меньше, чем Земли, ее поверхность составляет 7,5 %, а объем — 2 % земного. При условии одинаковости концентрации радиоактивных изотопов в единице объема для Луны предсказывалось значение теплового потока 0,36 · 10-6 калл/см2с.
В 1964 г. советские астрономы во главе с В. С. Троицким измерили тепловое излучение Луны в диапазоне длин волн от 1 мм до 3 см и получили неожиданно высокое значение среднего теплового потока (0,85 — 0,95) 10-6 ккал/см2с, почти втрое превышающее расчетное. Это могло свидетельствовать о более высоком содержании радиоактивных изотопов или о том, что источники тепла сконцентрированы вблизи поверхности.
Неожиданный результат был подтвержден непосредственным измерением теплового потока на Луне. Прямые измерения теплового потока на лунной поверхности были проведены в двух экспедициях астронавтов на Луну: в июле 1971 г. в районе Хэдли Рилл на восточном краю Моря Дождей («Аполлон-15») и в декабре 1972 г. в районе Тавр-Литтров в узком заливе на юго-востоке Моря Ясности («Аполлон-17»). Астронавты пробурили скважины, вставили фиброгласовые трубки и поместили в них термозонды для измерения температуры и теплопроводности. Каждый зонд обеспечивал измерение на 11 глубинах и состоял из 8 платиновых термометров сопротивления и 4 термопар. Было установлено 2 зонда на глубинах 1 и 1,4 м на станции «Аполлона-15» и один на 2,3 м — на «Аполлоне-17». Отсчеты передавались на Землю каждые 7 мин. Обработаны данные за 3,5 года по первой и за 2 года по второй станциям. Сигналы начинали анализироваться лишь через месяц после запуска приборов, когда установилось их тепловое равновесие с реголитом. Несмотря на огромные тепловые контрасты на поверхности (+130 °C днем, — 170 °C ночью), температурные флуктуации практически затухали на глубине 0,8 м. тогда как годовые колебания температуры ощущались на всех исследованных глубинах. Для измерения теплопроводности лунного грунта по команде с Земли на 36 ч были включены электронагреватели. По тому как росла температура, определяли величину теплопроводности. Теплопроводность реголита оказалась очень низкой и сильно зависящей от температуры. У поверхности она составляла лишь 0,3 · 10-5 ккал · (см · К)-1, глубже по мере уплотнения она возрастала, достигая на глубине 1–2 м значений ~0,24 · 10-4 ккал · (см · К)-1, в 250-метровом верхнем слое теплопроводность, по-видимому, остается очень низкой, на 2–3 порядка меньше, чем в недрах Луны, в 10 раз меньше, чем в прекрасном теплоизоляторе — воздухе, и в 40 раз меньше, чем в воде. Таким образом, реголит Луны, образовавшийся в результате перемалывания обломочных пород ударами метеоритов, представляет своеобразное «одеяло», играющее для Луны роль термостата и уменьшающее потерю ее тепла. Например, при образовании Моря Дождей обширные прилегающие территории были покрыты обломочными породами. Благодаря этому за последние 100 млн. лет температура на глубине 25 км должна была подняться с 300 до 480 °C. По величине теплопроводности и по перепаду температур был рассчитан тепловой поток, проходящий через поверхность Луны. Его значения для района Апеннин — 0,53 · 10-6 ккал · (см2 · с)-1, в районе Декарта — 0,38 · 10-6 ккал · (см2 · с)-1. Различие на 40 % превосходит погрешности измерений, эффект местного рельефа и характеризует горизонтальную изменчивость содержания радиоактивных изотопов в лунной коре.