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.
ВВЕДЕНИЕ
Что собой представляет Луна? Этот вопрос с древнейших времен волновал человека. Однако в течение длительного времени ряд причин, в том числе и различные суеверия, связанные с Луной, мешали научному подходу к ее изучению. Широкие и разносторонние научные исследования Луны — ближайшего к нам небесного тела — начались сравнительно недавно. Истина давалась не сразу — каждое открытие порождало сразу же много новых вопросов.
Что касается размеров Луны, ее массы, средней плотности и ряда других параметров, то они, как оказалось, довольно точно определяются методами небесной механики. Методы радиоастрономии дают возможность оценить теплопроводность и плотность поверхностного слоя Луны. Однако химический состав вещества, слагающего лунную поверхность, удалось исследовать лишь в последние годы.
Существует целый ряд непрямых (неконтактных) методов исследования химического состава небесных тел. Одним из них является метод спектрального анализа, широко применяющийся в астрофизике. Свет, идущий к нам от Солнца и далеких звезд, несет богатую информацию о составе поверхностных слоев этих небесных тел и происходящих в них процессах. Однако этот весьма чувствительный метод астрофизики не может быть использован для исследования состава лунного грунта, поскольку Луна светит лишь отраженным от нее солнечным светом. Поэтому исследования химического состава лунного грунта стали возможными только в космическую эпоху, когда началось изучение Луны с помощью научных приборов, доставляемых автоматическими и пилотируемыми космическими аппаратами как на лунную поверхность, так и на орбиту ее искусственного спутника.
В данной брошюре будет рассказано о ядерно-физических методах исследования химического состава лунного грунта, используемых при работе космических аппаратов, а также о результатах исследования лунного грунта, полученных как с помощью этих, так и других методов. Но вначале вспомним, что знали о Луне в «докосмическую» эпоху и до непосредственных измерений на ее поверхности.
Видимая с Земли невооруженным глазом поверхность Луны уже в IV в. до н. э. навела ученых Древней Греции на мысль, что там есть горы и равнины. Первая из дошедших до нас научных работ о Луне относится к I в. н. э. Но естественно, что сведения о Луне, полученные лишь путем ее наблюдений невооруженным глазом, многого дать не могли.
ГИПОТЕЗЫ ОБ ОБРАЗОВАНИИ, СТРОЕНИИ И СОСТАВЕ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИЯ
Является ли лунная поверхность твердой или предмет, помещенный на нее, будет проваливаться в многометровом слое пыли? Схож ли химический состав поверхности Луны с составом Земли, в котором преобладают окислы кремния, алюминия, магния, калия, кальция и железа? Какие вообще химические элементы и их соединения могут встретиться на Луне? Эти и другие чрезвычайно волновавшие ученых вопросы долгое время не получали однозначных ответов. Однако на основе наземных оптических, инфракрасных и радиолокационных измерений был выдвинут ряд гипотез относительно химического состава и физико-механических свойств слагающего лунную поверхность вещества и длительного процесса формирования лунного рельефа.
Большое распространение, например, получила гипотеза, в которой учитывался тот факт, что у Луны нет атмосферы, а следовательно, на ней отсутствуют процессы выветривания. Основываясь на этом, многие ученые (в частности, советские ученые А. В… Хабаков и Н. П. Барабашов) предполагали, что наблюдаемая нами поверхность Луны представляет собой совершенно свежую, ничем не покрытую и ничем не измененную поверхность тех магматических пород, из которых образовались верхние слои лунной коры. Развивая далее эту гипотезу, ученые основывались на данных геохимии и, в частности, приходили к заключению, что темные участки лунной поверхности («моря») сложены породами, бедными кремнием (например, базальтами), а светлые участки («материки») образованы породами кислого состава.
[1]
Кроме того, относительно гладкая поверхность «морей» и дна некоторых круглых кратеров (цирков), по мнению ученых, должна представлять собой излившуюся несколько позже и застывшую лаву (основного состава). Причем обильное выделение газов при излиянии этой лавы могло придать пористое строение теперешней (застывшей) ее поверхности (подобно пемзе и шлаку). В то же время аналогия с земной вулканической деятельностью приводила к предположению о возможном наличии на Луне рыхлых продуктов деятельности лунных вулканов, таких, как пепел, туф.
Однако поскольку наблюдаемые участки лунной поверхности в среднем темнее всех известных типов земных пород, то полная аналогия между лунными и магматическими земными породами оказалась невозможной. И для спасения рассматриваемой гипотезы понадобился ряд дополнительных предположений. В частности, было выдвинуто предположение о возможном изменении окраски минералов под действием солнечной радиации и космических лучей. Проведенные лабораторные исследования действительно показали, что некоторые земные минералы темнеют при их облучении. На основании этого было сделано заключение: что чем темнее та или иная деталь наблюдаемой лунной поверхности, тем она и старше. Кроме того, оценки показали, что за 1 млрд. лет космического облучения потемнение могло охватить слой лунной поверхности толщиной в несколько сантиметров.
В связи с этим привлекло к себе внимание интересное и еще малоизученное явление «защитной корки» на поверхностях отдельных скальных пород пустынных районов Земли. Она представляет собой темно-бурую. (или черную) пленку, состоящую из окисей марганца и железа, а также из кремния и образующуюся под действием длительного излучения Солнца. Указанное явление, по мнению советского ученого В. В. Шаронова, подтверждает возможность потемнения лунных пород в результате их длительной «обработки» солнечной радиацией.
