История про луну. Происхождение Луны. Российская концепция против «американской. Несколько слов из истории проблемы

Мы уже привыкли к нашему единственному естественному спутнику, который неустанно облетает нашу планету каждые 28 дней. Луна доминирует в нашем ночном небе, с древних времён она затрагивала у людей самые поэтические струны души. Хотя за последние несколько десятилетий предложены новые понимания многих лунных тайн, большое количество нерешённых вопросов всё ещё окружают наш единственный естественный спутник.

По сравнению с другими планетами нашей солнечной системы и путь орбиты, и размер нашей Луны являются довольно значительными аномалиями. Другие планеты, конечно, тоже имеют спутники. Но у планет со слабым гравитационным воздействием, как например, Меркурий, Венера и Плутон, их нет. Луна составляет одну четверть размера Земли. Сравните это с огромным Юпитером или Сатурном, у которых несколько сравнительно небольших спутников (луна Юпитера составляет 1/80 его размера), и наша Луна, кажется, довольно редкое космическое явление.

Ещё одна интересная деталь: расстояние от Луны до Земли достаточно небольшое, и по видимым размерам Луна равна нашему Солнцу. Это любопытное совпадение наиболее очевидно во время полных солнечных затмений, когда Луна полностью закрывает нашу ближайшую звезду.

Наконец, почти идеальная круговая орбита Луны, отличается от орбит других спутников, которые имеют тенденцию к эллиптической форме.

Гравитационный центр Луны почти на 1 800 м ближе к Земле, чем её геометрический центр. При таких значительных расхождениях учёные до сих пор не могут объяснить, как Луна умудряется сохранить свою почти идеально круговую орбиту.

Гравитационное притяжение на Луне не является однородным. Экипаж на борту Apollo VIII при пролёте около лунного океана, заметил, что гравитация Луны имеет резкие аномалии. В некоторых местах гравитация, кажется, таинственным образом усиливается.

Проблема происхождения Луны обсуждается в научной литературе уже более ста лет. Ее решение имеет большое значение для понимания ранней истории Земли, механизмов формирования Солнечной системы, происхождения жизни.

Первое логическое объяснение происхождения Луны было выдвинуто в XIX в. Джордж Дарвин, сын Чарлза Дарвина, автора теории естественного отбора, был известным и авторитетным астрономом, который тщательно изучал Луну и в 1878 г. выступил с так называемой теорией разделения. По всей видимости, Джордж Дарвин был первым астрономом, установившим, что Луна отдаляется от Земли. На основе скорости расхождения двух небесных тел Дж. Дарвин предположил, что когда-то Земля и Луна составляли единое целое. В далеком прошлом эта расплавленная вязкая сфера очень быстро вращалась вокруг своей оси, совершая один полный оборот примерно за пять с половиной часов.

Дарвин предположил, что в дальнейшем приливное воздействие Солнца стало причиной так называемого разделения: кусок расплавленной Земли размером с Луну отделился от главной массы и в конце концов занял свое положение на орбите. Эта теория выглядела вполне разумно и стала главенствующей в начале XX в. Она подверглась серьезной атаке лишь в 1920-х, когда британский астроном Гарольд Джеффрис показал, что вязкость Земли в полурасплавленном состоянии препятствовала бы возникновению достаточно мощной вибрации, которая могла привести к разделению двух небесных тел.

Вторая теория , некогда убедившая ряд специалистов, называлась аккреционной теорией. Она гласила, что вокруг уже сформировавшейся Земли постепенно аккумулировался диск из плотных частиц, напоминающий кольца Сатурна. Предполагалось, что частицы этого диска в конечном счете объединились и образовали Луну.

Существует несколько причин, в силу которых такое объяснение не может быть удовлетворительным. Одной из главных является угловой момент движения системы Земля - Луна, который никогда не стал бы таким, как он есть, если бы Луна образовалась из аккреционного диска. Существуют также затруднения, связанные с образованием океанов расплавленной магмы на «новорожденной» Луне.

Третья теория о происхождении Луны появилась примерно в то время, когда были запущены первые лунные зонды; она получила название теории целостного захвата. Предполагалось, что Луна возникла вдалеке от Земли и стала блуждающим небесным телом, которое попросту было захвачено земным тяготением и вышло на орбиту вокруг Земли.

Теперь эта теория тоже вышла из моды по нескольким причинам. Соотношение изотопов кислорода в горных породах на Земле и на Луне убедительно доказывает, что они возникли на одном расстоянии от Солнца, чего не могло быть в том случае, если бы Луна сформировалась в другом месте. Существуют также непреодолимые трудности в попытке построения модели, в соответствии с которой небесное тело размером с Луну могло бы выйти на стационарную орбиту вокруг Земли. Такой огромный объект не мог аккуратно «подплыть» к Земле на малой скорости, словно супертанкер, швартующийся к пристани; он почти неизбежно должен был врезаться в Землю на большой скорости или пролететь рядом с ней и устремиться дальше.

К середине 1970-х все предыдущие теории формирования Луны по той или иной причине столкнулись с трудностями. Это привело к созданию практически немыслимой ситуации, когда прославленные эксперты могли публично признать, что они просто не знают, как или почему Луна оказалась на своем месте.

Из этой неопределенности родилась новая теория , которая в настоящее время считается общепринятой, несмотря на некоторые серьезные вопросы. Она известна как теория «большого столкновения».

Идея возникла в Советском Союзе в 60-х гг. у русского ученого B.C. Савронова, который рассматривал возможность возникновения планет из миллионов астероидов разного размера, называемых планетзималями.

В ходе независимого исследования Хартманн вместе со своим коллегой Д.Р. Дэвисом предположил, что Луна образовалась в результате столкновения двух планетных тел, одним из которых была Земля, а другим - блуждающая планета, размером не уступавшая Марсу. Хартманн и Дэвис полагали, что две планеты столкнулись специфическим образом, в результате чего произошли выбросы вещества из мантии обоих небесных тел. Это вещество было выброшено на орбиту, где постепенно объединилось и уплотнилось для формирования Луны.

Новая информация, полученная путём детального изучения образцов с Луны, почти подтвердила теорию столкновения: 4,57 миллиарда лет назад протопланета Земля (Гея) столкнулась с протопланетой Тейя. Удар пришёлся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту.

Из этих обломков собралась прото-Луна и стала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля, в результате удара, получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.

В двух новых исследованиях, опубликованных в свежем выпуске журнала Nature, ученые приводят свидетельства того, что химическое сходство Земли и Луны обусловлено основательным смешиванием вещества, образованного при столкновении Земли с другой планетой.

Таким образом, сторонники основной теории происхождения земного спутника получили новые подтверждения своей правоты и причём довольно весомые. Но, немецкие учёные утверждают, что другие теории нельзя просто так списывать со счетов, поскольку новые данные, хотя и серьёзно подтверждают основную теорию, но всё же не на сто процентов. Поэтому пока ещё есть возможность выбрать для себя наиболее близкую теорию из всех существующих, или даже придумать новую!

Являющийся самым ярким объектом в ночном небе. С давних времен она приковывала к себе взгляды людей и затрагивала в их душах самые поэтические струны. Влияние Луны на нашу планету очень велико. Самым ярким примером этому служат морские приливы и отливы. Они возникают в связи с гравитационным притяжением, которое оказывает спутник Земли. Кроме того, с древнейших времен люди использовали лунный календарь. На протяжении практически всей истории человечества он был основным методом не только для летоисчисления, но и для ориентации в ежедневных делах. Глядя на лунный календарь, наши предки решали, начинать ли им сев или жатву, организовывать или нет ярмарочные гулянья.

На фазы Луны ориентировалась и всемогущая церковь. Согласно составленному календарю она объявляла различные религиозные праздники и Великие Посты.
Сотни лет люди спорили о происхождении Луны. Но, несмотря на бурное развитие научной мысли, огромное количество нерешенных вопросов о нашем единственном спутнике все же так и осталось без ответа.

Каково же на самом деле происхождение Луны? Гипотезы, позволяющие хоть как-то приблизиться к этому ответу, носят как научный характер, так и являются просто фантастическими предположениями.

Народное предание

Существует легенда о происхождении Луны. Согласно ей, в давние времена, когда было молодо даже само Время, на нашей планете жила девушка. Она была настолько красива, что у каждого, кто видел ее, просто захватывало дух.

В те годы люди не знали, что такое злоба и ненависть. На Земле царили только гармония, взаимопонимание и любовь. Даже Богу было приятно созерцать созданный им Мир. Так длилось годами, которые превращались в века. Планета была похожа на цветущую сказку, и, казалось, ничто не способно омрачить такую прекрасную картину.

Однако с годами, купаясь в лучах собственного успеха и красоты, девушка поменяла свой скромный образ жизни на разгульный. По ночам она начала соблазнять самых красивых мужчин планеты, озаряя темноту ярким свечением. О ее поведении стало известно Богу.

Он наказал развратницу, отправив ее на небосклон. После этого девушка-Луна стала освещать прекрасную планету своим пленяющим и чистым свечением. Люди стали выходить на ночные улицы, чтобы полюбоваться льющейся с неба неповторимой красотой. Этот нежный свет загорался в сердцах юношей и девушек, принося тепло в душу. Таким образом, Луна забрала у людей спокойствие. Они уже не могли спать по ночам и попадали в ее нежную ловушку. Луна одаривала их самыми необъяснимыми чувствами, заставляя сердца землян биться в такт загадочных мыслей и сказочной любви.

Селена

Загадка № 1. Соотношение масс

Если сравнить Луну с другими планетами, находящимися в нашей Солнечной системе, то она выделяется некоторыми аномальными характеристиками. Например, необыкновенно невысоким является соотношение масс и и Земли. Так, диаметр нашей планеты в четыре раза больше такого же параметра своего спутника. У Юпитера, например, это значение равно восьмидесяти.

Еще одной интересной деталью является расстояние между Землей и Луной. Оно сравнительно невелико. В связи с этим по своим визуальным размерам Луна совпадает с Солнцем. Это подтверждают и такие явления, как затмения нашей ближайшей звезды, когда спутник Земли полностью закрывает небесное Светило.

Аномальной для исследователей является и идеально круглая Другие спутники солнечной системы вращаются по эллиптическому пути.

Загадка № 2. Гравитационный центр

Исследователи отмечают и необычайное отклонение Луны. Гравитационный центр этого спутника ближе его геометрического центра на 1800 метров. Это также может доказывать искусственное происхождение Луны. Версии о том, почему спутник нашей планеты при таком существенном расхождении все же вращается по круговой орбите, просто не существует.

Загадка № 3. Титановая поверхность

Посмотрев на фотографию Луны, многие уверены в том, что видят на ее поверхности кратеры. Однако при отсутствии атмосферы планета кажется не сильно «побитой» падающими на нее космическими телами.

Кроме того, лунные кратеры настолько малы по сравнению со своей окружностью, что создается впечатление того, что метеоритные осколки попадали на чрезвычайно прочный материал. Щербаков и Васин высказали предположение о том, что лунная поверхность сделана из титана. Эта версия была проверена. В результате полученных данных можно сделать вывод о том, что лунная кора имеет экстраординарные свойства титана на глубину практически в 32 км.

Загадка № 4. Океаны

Искусственное происхождение Луны доказывают и находящиеся на ее поверхности гигантские расширения, называемые океанами. Многие исследователи полагают, что это не что иное, как следы вышедшей из недр планеты застывшей лавы после воздействия метеоритов. Хотя все это можно объяснить лишь вулканической деятельностью.

Загадка № 5. Гравитация

Теория происхождения Луны как искусственного тела подтверждается и наличием на этой планете неоднородного гравитационного притяжения. Это подтвердил экипаж Apollo VIII. Космонавты отметили резкие , которая в некоторых местах загадочным образом значительно усиливается.

Загадка № 6. Кратеры, океаны, горы

На которая не просматривается с Земли, ученые обнаружили большое количество кратеров, географических потрясений и гор. Однако нам видны только океаны. Такое гравитационное несоответствие также позволяет выдвигать версию о том, что имеет место искусственное происхождение Луны.

Загадка № 7. Плотность

Плотность Луны чрезвычайно мала. Ее значение составляет всего 60 % от плотности нашей планеты. Согласно существующим законам физики, в таком случае Луна должна быть просто пустотелой. И это при относительной жесткости ее поверхности. Это еще один аргумент, обосновывающий искусственное происхождение Луны.

У ученых на этот счет имеются и другие гипотезы, которые все вместе являются восьмым постулатом. Рассмотрим их подробнее.

Отделение материи

История происхождения Луны волновала людей во все времена. Первое вполне логическое объяснение появлению у нашей планеты этого спутника дал в 19 в. Джордж Дарвин. Он был сыном Чарльза Дарвина, выдвинувшего теорию естественного отбора.

Джордж был очень авторитетным и известным астрономом, уделявшим много времени изучению небесного спутника нашей планеты. В 1878 г. он выдвинул версию о том, что происхождение Луны стало результатом разделения материй. Скорее всего, Джордж Дарвин стал первым исследователем, который установил тот факт, что наш небесный спутник постепенно отдаляется от Земли. Высчитав скорость расхождения планет, астроном предположил, что в прежние времена они составляли единое целое.

В далеком прошлом Земля представляла собой вязкую материю и вращалась вокруг своей оси всего за 5,5 часа. Это привело к тому, что центробежные силы «вырвали» из планеты часть вещества. Со временем из этого куска и образовалась Луна. На месте отрыва на Земле появился Тихий океан.

Это происхождение планеты Луна было вполне разумным. В результате версия Дж. Дарвина заняла главенствующее положение в начале 20 в. Теория великолепно объясняла сходство состава лунной и земной пород, меньшую плотность спутника нашей планеты и его размеры.

Однако данную версию в 1920 г. раскритиковал Гарольд Джеффрис. Этот британский астроном доказал, что вязкость нашей планеты в полурасплавленном состоянии не могла содействовать настолько мощной вибрации, чтобы привести к появлению двух планет. Против того, что именно таким было происхождение Луны, гипотезы выдвинули и другие исследователи. Ведь становилось непонятным, какие законы и явления позволили Земле разогнаться столь быстро, а затем резко снизить скорость своего хода по орбите. Кроме того, доказано, что возраст Тихого океана составляет около 70 млн лет. А это слишком мало, чтобы принять предложенный Дж. Дарвином сценарий возникновения небесного спутника.

Захват планеты

Как еще объяснялось происхождение Луны? Версии были различными, однако самой объяснимой из них стала гипотеза, вышедшая в 1909 г. из-под пера Томаса Джефферсона Джексона Ои. Этот американский астроном предположил, что в прежние времена Луна была небольшой планетой, входящей в Солнечную систему. Однако постепенно, под влиянием действующих на нее гравитационных сил, ее орбита приобрела форму эллипса и пересеклась с орбитой Земли. Далее наша планета с помощью сил притяжения «захватила» ее. В результате Луна перешла на новую орбиту и стала спутником.

Эту гипотезу подтверждает достаточно высокий момент импульса. Кроме того, в пользу данной версии говорят мифы древних народов, в которых утверждается, что были времена, когда Луны не существовало вовсе.

Однако такой сценарий вряд ли имел место. При прохождении возле Земли малой планеты действующие на космическое тело гравитационные силы скорее разрушили бы ее или отбросили достаточно далеко. В противовес этой теории выступает и тот факт, что лунная и земная поверхности имеют определенное сходство.

Совместное формирование

Данная гипотеза в советском научном мире являлась основной. Впервые она была озвучена в трудах Канта еще в 1775 г. Согласно этой версии, обе планеты сформировались из единого газопылевого облака. В этом шлейфе произошло зарождение прото-Земли, которая постепенно набрала большую массу. В результате частички облака стали вращаться вокруг нашей планеты, придерживаясь своих собственных орбит. Некоторые из них попадали на еще не сформировавшуюся до конца Землю и увеличивали ее. Другие же заняли круговые орбиты и, находясь на одинаковом расстоянии от нашей планеты, образовали Луну.

Данную гипотезу вполне объясняет тот факт, что Земля и Луна имеют одинаковый возраст, схожие породы и многое другое. Однако неизвестно происхождение столь высокого момента импульса и нетипичного наклона плоскости орбиты нашего спутника. Кажется странным и то, что сформировавшиеся одновременно планеты имеют различные соотношения массы ядра и оболочек, а также неизвестна причина исчезновения легких элементов с небесного спутника.

Испарение вещества

Данную гипотезу исследователи выдвинули в начале 20 в. Согласно данной версии, под влиянием постоянного попадания на поверхность Земли космических частичек ее поверхность подверглась сильному разогреванию. Произошло расплавление вещества, которое вскоре начало испаряться. Далее начался эффект выдувания солнечным ветром легких элементов. Более тяжелые частички со временем прошли процесс конденсации. Это произошло на некотором расстоянии от Земли, где и образовалась Луна.

Данной версией хорошо объясняется малое ядро небесного спутника, сходство пород двух планет, а также невысокое количество имеющихся на нем летучих легких элементов. Однако как объяснить при этом высокий момент импульса? Кроме того, уже известно, что Земля разогреванию не подвергалась. Следовательно, испаряться было просто не чему.

Мегаимпакт

Все существовавшие до середины 1970-х годов теории о происхождении Луны по тем или иным причинам не могли найти полного подтверждения. При этом сложилась практически немыслимая ситуация, когда исследователи просто не могли дать ответа на вопрос о происхождении нашего единственного спутника. Эта неопределенность стала основным толчком для рождения новой версии.

Сравнительно молодой гипотезой происхождения Луны является теория столкновения. Появилась она в 1975 г., и в настоящее время ее считают основной. Согласно этой версии, зарождение Луны и Земли произошло в те далекие времена, когда из газопылевого облака возникла и сама Солнечная система. При этом получилось так, что на одинаковом расстоянии от небесного Светила сформировалось сразу две планеты, оказавшиеся на одной орбите. Одна из них - молодая Земля. Другой же была планета Тейя. Оба небесных тела постепенно росли. Далее их массы стали настолько ощутимы, что планеты начали постепенно приближаться друг к другу. Тейя была меньше Земли, и поэтому начала притягиваться к более тяжелой соседке. По мнению исследователей, роковая встреча произошла 4,5 млрд лет назад. Тейя столкнулась с Землей. Удар был сильным, но произошел по касательной. Землю при этом словно вывернуло наизнанку. На околоземную орбиту «выплеснулась» часть мантии нашей планеты и большая часть Тэйи. Это вещество и стало зачатком будущей Луны, окончательное формирование которой произошло примерно за сто лет после этого столкновения. При ударе Земля получила большой момент импульса.

Объясняет гипотеза и небольшое по размерам лунное ядро, и сходство пород двух планет. Однако не совсем ясно, отчего не произошло окончательное испарение легких элементов, которые, пусть в небольшом количестве, но присутствуют в лунной коре.

Факты документального кино

Все материалы о Луне, которые имеются в широком доступе, - далеко не исчерпывающая информация. Какие секреты таит в себе эта планета? Каково происхождение Луны? Документальный фильм, повествующий о явлениях, происходящих на спутнике нашей планеты, сразу же заинтересовал зрителей. Он вышел под названием «Сенсация века. Луна. Скрытие фактов». В нем повествуется о том, что на этом космическом теле происходят загадочные и ничем не объяснимые явления. И это подтверждают свидетельства астрономов. Особенно часто на Луне исследователи видят блуждающие и стационарные огни, яркие внезапные вспышки, свет из кратеров потухших вулканов и непонятные лучи, которые прорезают углубления лунной поверхности.

Также, по мнению многих ученых, американцы вовсе не высаживались на поверхности этого небесного тела. А если и высаживались, то представленные в свободном доступе материалы являются откровенной подделкой. Причина такого неверия кроется в том, что осуществленные миссии прошли не так, как было задумано изначально. Кроме того, астронавты, бывшие в свое время на Луне, несколько позже и только в личных беседах утверждали о том, что за всеми их действиями велось непрерывное наблюдение. Оно осуществлялось с постоянно кружившихся вокруг корабля неопознанных летающих объектов.

Это вполне объясняет искусственное происхождение спутника Земли и версию о том, что Луна является кораблем пришельцев. Находит свое объяснение и теория о возможно полой внутри планете.

Несколько слов из истории проблемы

Из планет внутренней части Солнечной системы, которые включают Меркурий, Венеру, Землю и Марс только Земля имеет массивный спутник – Луну. Спутники есть также у Марса: Фобос и Деймос, но это небольшие тела неправильной формы. Больший из них, Фобос, в максимальном измерении всего 20 км, в то время как диаметр Луны 3560 км.

Луна и Земля обладают разной плотностью. Это вызвано не только тем, что Земля имеет большие размеры и, следовательно, ее недра находятся под б?льшим давлением. Средняя плотность Земли, приведенная к нормальному давлению (1 атм) – 4.45 г/см 3 , плотность Луны – 3.3 г/см 3 . Различие обусловлено тем, что Земля содержит массивное железо-никелиевое ядро (с примесью легких элементов), в котором сосредоточено 32% массы Земли. Размер ядра Луны остается невыясненным. Но с учетом низкой плотности Луны и ограничения, налагаемого величиной момента инерции (0.3931) Луна не может содержать ядро, превосходящее 5% ее массы. Наиболее вероятным, исходя из интерпретации геофизических данных, считается интервал 1–3%, то есть радиус лунного ядра составляет 250–450 км.

К середине прошлого века сформировалось несколько гипотез происхождения Луны: отделение Луны от Земли; случайный захват Луны на околоземную орбиту; коаккреция Луны и Земли из роя твердых тел. Эта проблема до недавнего времени решалась специалистами в области небесной механики, астрономии и планетофизики. Геологи и геохимики в ней участия не принимали, поскольку о составе Луны до начала ее изучения космическими аппаратами ничего не было известно.

Уже в 30 гг. прошлого столетия было показано, что гипотеза отрыва Луны от Земли, выдвигавшаяся, кстати, Дж. Дарвиным, сыном Ч. Дарвина, несостоятельна. Суммарный вращательный момент Земли и Луны недостаточен для возникновения даже в жидкой Земле ротационной неустойчивости (потеря вещества под действием центробежной силы).

В 60-е гг. специалисты в области небесной механики пришли к выводу, что захват Луны на околоземную орбиту – крайне маловероятное событие. Оставалась гипотеза коаккреции, которая была разработана отечественными исследователями, учениками О.Ю. Шмидта В.С. Сафроновым и Е.Л. Рускол. Ее слабая сторона – неспособность объяснить разную плотность Луны и Земли. Изобретались хитроумные, но малоправдоподобные сценарии того, как Луна могла бы потерять избыточное железо. Когда стали известны детали химического строения и состава Луны, эта гипотеза была окончательно отвергнута. Как раз в середине 1970-х гг. появился новый сценарий образования Луны. Американские ученые А.Камерон и В. Уорд и одновременно В. Хартман и Д. Дэвис в 1975 г. предложили гипотезу образования Луны в результате катастрофического столкновения с Землей крупного космического тела, размером с Марс (гипотеза мегаимпакта). В результате огромная масса земной материи и частично материала ударника (небесного тела, столкнувшегося с Землей) расплавилась и была выброшена на околоземную орбиту. Этот материал быстро аккумулировался в компактное тело, которое стало Луной. Несмотря на кажущуюся экзотичность эта гипотеза стала общепринятой, поскольку она предлагала простое решение целого ряда проблем. Как показало компьютерное моделирование, с динамической точки зрения, столкновительный сценарий вполне осуществим. Сверх того, он дает объяснение повышенному значению углового момента системы Земля – Луна, наклону оси Земли. Легко объясняется и более низкое содержание железа в Луне, так как предполагается, что катастрофическое столкновение произошло после образования ядра Земли. Железо оказалось в основном сконцентрированным в ядре Земли, а Луна образовалась из каменного вещества земной мантии.

Рис. 1 – Столкновение Земли с небесным телом размером примерно с Марс, в результате которого произошел выброс расплавленного вещества, образовавшего Луну (гипотеза мегаимпакта).
Рисунок В.Е. Куликовского.

К середине 1970-х гг., когда на Землю доставили образцы лунного грунта, достаточно хорошо были изучены геохимические свойства Луны, и она по ряду параметров действительно показывала неплохое сходство с составом земной мантии. Поэтому такие видные геохимики, как А. Рингвуд (Австралия) и Х. Венке (Германия), поддержали гипотезу мегаимпакта. Вообще, проблема происхождения Луны из разряда астрономических перешла скорее в разряд геолого-геохимических, так как именно геохимические аргументы стали решающими в системе доказательств той или иной версии образования Луны. Эти версии различались лишь в деталях: относительные размеры Земли и ударника, каков был возраст Земли, когда произошло столкновение. Сама же ударная концепция считалась незыблемой. Между тем некоторые подробности геохимического анализа ставят под сомнение гипотезу в целом.

Проблема «летучих» и изотопного фракционирования

Вопрос дефицита железа на Луне играл решающую роль при обсуждении происхождения Луны. Другая фундаментальная проблема – сверхобедненность естественного спутника Земли летучими элементами – оставалась в тени.

Луна содержит во много раз меньше K, Na и других летучих элементов по сравнению с углистыми хондритами. Состав углистых хондритов рассматривается как наиболее близкий к первоначальному космическому веществу, из которого формировались тела Солнечной системы. В качестве «летучих» мы привычно воспринимаем соединения углерода, азота, серы и воду, которые легко испаряются при прогреве до температуры 100–200 о С. При температурах 300–500 о С, в особенности в условиях низких давлений, например, при соприкосновении с космическим вакуумом, летучесть свойственна элементам, которые мы обычно наблюдаем в составе твердых веществ. Земля тоже содержит мало летучих элементов, но Луна заметно обеднена ими даже по сравнению с Землей.

Казалось бы в этом нет ничего удивительного. Ведь в соответствии с ударной гипотезой предполагается, что Луна образовалась в результате выброса расплавленного вещества на околоземную орбиту. Понятно, что при этом часть вещества могла испариться. Все бы хорошо объяснялось, если бы не одна деталь. Дело в том, что при испарении происходит явление, называемое фракционированием изотопов. Например, углерод состоит из двух изотопов 12 С и 13 С, кислород имеет три изотопа – 16 О, 17 О и 18 О, элемент Mg содержит стабильные изотопы 24 Mg и 26 Mg и т.д. При испарении легкий изотоп опережает тяжелый, поэтому остаточное вещество должно обогатиться тяжелым изотопом того элемента, который был утрачен. Американский ученый Р. Клейтон с сотрудниками показал экспериментально, что при наблюдаемой потере калия Луной отношение 41 K/ 39 K должно было бы измениться в ней на 60‰ . При испарении 40% расплава изотопное отношение магния (26 Mg/ 24 Mg) изменилось бы на 11–13‰, а кремния (30 Si/ 28 Si) – на 8–10‰. Это очень большие сдвиги, если учесть, что современная точность измерения изотопного состава этих элементов не хуже 0.5‰. Между тем никакого сдвига изотопного состава, то есть каких-либо следов изотопного фракционирования летучих в лунном веществе не обнаружено.

Возникла драматическая ситуация. С одной стороны импактная гипотеза была провозглашена незыблемой, особенно в американской научной литературе, с другой – она не совмещалась с изотопными данными.

Р. Клейтон (1995 г.) отмечал: «Эти изотопные данные несовместимы почти со всеми предложенными механизмами обеднения летучими элементами путем испарения конденсированного вещества». Х. Джонс и Х. Палме (2000 г.) заключили, что «испарение не может рассматриваться в качестве механизма, приводящего к обеднению летучими из-за неустранимого изотопного фракционирования».

Модель образования Луны

Десять лет назад я выдвинул гипотезу, смысл которой состоял в том, что Луна сформировалась не вследствие катастрофического удара, а как двойная система одновременно с Землей в результате фрагментации облака пылевых частиц. Так образуются двойные звезды. Железо, которым Луна обеднена, было утрачено вместе с другими летучими в результате испарения.

Рис. 2 – Формирование Земли и Луны из общего пылевого диска в соответствии с гипотезой автора о происхождении Земли и Луны как двойной системы.

Но может ли в действительности возникнуть такая фрагментация при тех значениях массы, углового момента и прочего, которые имеет система Земля – Луна? Это оставалось неизвестным. Несколько исследователей объединились в группу для изучения этой проблемы. В нее вошли известные специалисты в области космической баллистики: академик Т.М. Энеев, еще в 70-е г.г. исследовавший возможность аккумуляции планетных тел путем объединения пылевых сгущений; известный математик академик В.П. Мясников (к сожалению, уже ушедший из жизни); крупный специалист в области газодинамики и суперкомпьютеров член-корреспондент РАН А.В. Забродин; доктор физико-математических наук М.С. Легкоступов; доктор химических наук Ю.И. Сидоров. Позже к нам присоединился доктор физико-математических наук, специалист в области компьютерного моделирования А.М. Кривцов из Санкт-Петербурга, внесший существенный вклад в решение проблемы. Наши усилия были направлены на решение динамической задачи образования Луны и Земли.

Однако идея утраты Луной железа в результате испарения, казалось бы, находилась в таком же противоречии с отсутствием следов изотопного фракционирования на Луне, как и импактная гипотеза. На самом деле здесь наблюдалось замечательное различие. Дело в том, что изотопное фракционирование происходит, когда изотопы необратимо покидают поверхность расплава. Тогда, вследствие большей подвижности легкого изотопа возникает кинетический изотопный эффект (приведенные выше величины изотопных сдвигов обусловлены именно этим эффектом). Но, возможна другая ситуация, когда испарение происходит в закрытой системе. В этом случае испарившаяся молекула может вновь вернуться в расплав. Тогда устанавливается некоторое равновесие между расплавом и паром. Понятно, что более летучие компоненты накапливаются в паровой фазе. Но вследствие того, что существует как прямой, так и обратный переход молекул между паром и расплавом изотопный эффект оказывается очень небольшим. Это –термодинамический изотопный эффект. При повышенных температурах он может быть пренебрежимо мал. Идея закрытой системы неприменима к расплаву, выброшенному на околоземную орбиту и испаряющемуся в космическое пространство. Но она вполне соответствует процессу, протекающему в облаке частиц. Испаряющиеся частицы окружены своим паром, и облако в целом находится в условиях закрытой системы.

Рис. 3 – Кинетический и термодинамический изотопные эффекты: а) кинетический изотопный эффект при испарении расплава приводит к обогащению пара легкими изотопами летучих элементов, а расплава – тяжелыми изотопами; б) термодинамический изотопный эффект, возникающий при равновесии между жидкостью и паром. Он может быть пренебрежимо мал при повышенных температурах; в) закрытая система частиц, окруженных своим паром. Испарившиеся частицы могут вновь возвращаться в расплав.

Предположим теперь, что облако сжимается в результате гравитации. Происходит его коллапс. Тогда перешедшая в пар часть вещества выжимается из облака, а оставшиеся частицы оказываются обедненными летучими. При этом фракционирования изотопов почти не наблюдается!

Было рассмотрено несколько версий решения динамической задачи. Наиболее удачной оказалась модель динамики частиц (вариант модели молекулярной динамики), предложенная А.М. Кривцовым.

Представим, что имеется облако частиц, каждая из которых движется в соответствии с уравнением второго закона Ньютона, как известно, включающего массу, ускорение и силу, вызывающую движение. Сила взаимодействия между каждой частицей и всеми остальными частицами f включает несколько слагаемых: гравитационное взаимодействие, упругую силу, действующую при соударении частиц (проявляется на очень малых расстояниях), и неупругую часть взаимодействия, в результате которого энергия столкновения переходит в тепло.

Необходимо было принять определенные начальные условия. Решение проводилось для облака частиц, имеющего массу системы Земля – Луна, и обладающего угловым моментом, характеризующим систему этих тел. На самом деле данные параметры для первоначального облака могли несколько отличаться как в большую, так и в меньшую сторону. Исходя из удобства компьютерного расчета, рассматривалась двумерная модель – диск c неравномерно распределенной поверхностной плотностью. С целью описать поведение реально трехмерного объекта в параметрах двумерной модели вводились критерии подобия при помощи безразмерных коэффициентов. Еще одно условие: нужно было приписать частице помимо угловой некую хаотическую скорость. Математические выкладки и некоторые другие технические подробности здесь можно опустить.

Компьютерный расчет модели, основанной на приведенных принципах и условиях, хорошо описывает коллапс облака частиц. При этом формировалось центральное тело повышенной температуры. Однако не было главного. Не происходила фрагментация облака частиц, то есть возникало одно тело, а не двойная система Земля – Луна. Вообще говоря, в этом ничего неожиданного не было. Как уже упоминалось, попытки смоделировать образование Луны путем отрыва от быстро вращающейся Земли и ранее оказывались безуспешными. Угловой момент системы Земля-Луна был недостаточен для разделения общего тела на два фрагмента. То же получилось и с облаком частиц.

Однако ситуация коренным образом изменилась, когда приняли во внимание явление испарения.

Процесс испарения с поверхности частицы вызывает эффект отталкивания. Сила этого отталкивания обратно пропорциональна квадрату расстояния от испаряющейся частицы:

где λ – коэффициент пропорциональности, учитывающий величину потока, испаряющегося с поверхности частицы; m – масса частицы.

Структура формулы, характеризующей газодинамическое отталкивание, выглядит аналогично выражению для гравитационной силы, если вместо λ подставить γ - гравитационную постоянную. Строго говоря, полного подобия этих сил нет, так как гравитационное взаимодействие является дальнодействующим, а отталкивающая сила испарения – локальной. Тем не менее, в первом приближении их можно объединить:

Отсюда получается некая эффективная постоянная γ", меньшая, чем γ.

Ясно, что уменьшение коэффициента γ приведет к появлению ротационной неустойчивости при меньших значениях углового момента. Вопрос в том, каков должен быть поток испарения, чтобы требования к начальной угловой скорости облака снизились настолько, чтобы реальный угловой момент системы Земля – Луна, оказался достаточным для появления фрагментации.

Выполненные оценки показали, что поток должен быть совсем небольшим и вписываться во вполне правдоподобные значения времени и массы. А именно, для хондр (сферических частиц, из которых состоят метеориты хондриты) размером примерно 1мм, с температурой порядка 1000 К и плотностью ~ 2 г/см 3 , поток должен составлять величину примерно 10–13 кг/м 2 с. В этом случае уменьшение массы испаряющейся частицы на 40% займет время порядка (3 - 7) 10 4 лет, что согласуется с возможным порядком 10 5 лет для временной шкалы начальной аккумуляции планетных тел. Компьютерное моделирование с использованием реальных параметров отчетливо показало появление ротационной неустойчивости, завершающейся формированием двух нагретых тел, одному из которых предстоит стать Землей, а другому – Луной.

Рис. 4 – Компьютерная модель коллапса облака испаряющихся частиц. Показаны последовательные фазы фрагментации облака (а – г) и образования двойной системы (д – е). В расчете использовались реальные параметры, характеризующие систему Земля – Луна: кинетический момент K = 3.45 10 34 кг м 2 с –1 ; общая масса Земли и Луны M = 6.05 10 24 кг, радиус твердого тела с общей массой Земли и Луны Rc = 6.41 10 6 м; гравитационная постоянная "гамма" = 6.67 10 –11 кг –1 м 3 с –2 ; начальный радиус облака R0 = 5.51 Rc; число расчетных частиц N = 10 4 , значение потока испарения 10 –13 кг м –2 с –1 , отвечающее приблизительно 40% испарению массы частиц с размером хондры порядка 1 мм в течение 10 4 – 10 5 лет. Рост температуры условно показан изменением цвета от синего к красному.

Таким образом, предложенная динамическая модель объясняет возможность возникновения двойной системы Земля – Луна. При этом испарение приводит к утрате летучих элементов в условиях практически закрытой системы, обеспечивающей отсутствие заметного изотопного эффекта.

Проблема дефицита железа

Объяснение дефицита железа на Луне по сравнению с Землей (и первичным космическим веществом – углистыми хондритами) в свое время стало наиболее убедительным аргументом в пользу импактной гипотезы. Правда и здесь у импактной гипотезы имеются трудности. Действительно, Луна содержит меньше железа, чем Земля, но больше, чем земная мантия, из которой, как считается, она образовалась. Возможно, Луна унаследовала дополнительно железо ударника. Но тогда она должна быть обогащена не только железом относительно земной мантии, но и сидерофильными элементами (W, P, Mo, Co, Cd, Ni, Pt, Re, Os и др.), сопровождающими железо. В расплавах железо-силикат они присоединяются к железной фазе. Между тем Луна обеднена сидерофильными элементами, хотя в ней больше железа, чем в земной мантии. В последних моделях, чтобы согласовать ударную гипотезу с наблюдениями, все больше увеличивают массу ударника, столкнувшегося с Землей, и делается вывод о его преобладающем вкладе в состав вещества Луны. Но здесь возникает новое осложнение для импактной гипотезы. Вещество Луны, как следует из изотопных данных, строго родственно веществу Земли. Действительно, изотопные составы образцов Луны и Земли лежат на одной линии в координатах δ 18 О и δ 17 О (отношение изотопов кислорода 17 O и 18 O к 16 O). Так ведут себя образцы, принадлежащие одному и тому же космическому телу. Образцы других космических тел занимают другие линии. До тех пор, пока Луна считалась образовавшейся из вещества мантии, совпадение изотопных характеристик свидетельствовало в пользу этой гипотезы. Однако, если вещество Луны в существенной мере образовано из вещества неизвестного небесного тела, совпадение изотопных характеристик уже не поддерживает ударную гипотезу.

Рис. 5 – Сравнительное содержание железа (Fe) и окиси железа (FeO) в Земле и Луне.

Рис. 6 – Диаграмма отношений изотопов кислорода δ 17 О и δ 18 О (δ 17 О и δ 18 О – величины, характеризующие сдвиги изотопных отношений кислорода 17 О/ 16 О и 18 О/ 16 О, относительно принятого стандарта SMOW). На этой диаграмме образцы Луны и Земли ложатся на общую линию фракционирования, что указывает на генетическое родство их состава.

Сверхобедненность Луны летучими элементами и роль испарения в динамике формирования системы Земля – Луна позволяют совершенно иначе истолковать проблемы дефицита железа.

На основании нашей модели предстоит выяснить, как возникает обедненность Луны железом, и почему Луна обеднена железом, а Земля – нет, при том, что в результате фрагментации возникают два аналогичных по условиям образования тела.

Лабораторные эксперименты показали, что железо – тоже относительно летучий элемент. Если испарять расплав, который имеет первичный хондритовый состав, то после испарения наиболее легколетучих компонентов (соединений углерода, серы и ряда других) начнут испаряться щелочные элементы (K, Na), а затем наступит очередь железа. Дальнейшее испарение приведет к улетучиванию Si, за ним Mg. В конечном счете расплав обогатится наиболее трудно летучими элементами Al, Ca, Ti. Перечисленные вещества относятся к числу породообразующих элементов. Они входят в состав минералов, слагающих основную массу (99%) пород. Другие элементы образуют примеси и второстепенные минералы.

Рис. 7 – После образования двух горячих зародышей (красные пятна), значительная часть более холодного (зеленый и синий цвет) материала исходного облака частиц остается в окружающем пространстве (размеры частиц увеличены).

Примечание: Ядро Земли (учтена его масса, составляющая 32% массы планеты) содержит, помимо железа никель и другие сидерофильные элементы, а также до 10% примеси легких элементов. Это могут быть кислород, сера, кремний, с меньшей вероятностью - примеси других элементов. Данные для Луны взяты по С. Тейлору (1979). Оценки состава Луны сильно варьируют у разных авторов. Нам представляется, что оценки С. Тейлора наиболее обоснованы (Галимов, 2004).

Луна обеднена Fe и обогащена трудно летучими элементами: Al, Ca, Ti. Более высокое содержание Si и Mg в составе Луны – это иллюзия, вызванная дефицитом железа. Если утрата летучих обусловлена процессом испарения, то содержание только наиболее трудно летучих элементов останется неизменным по отношению к исходному составу. Поэтому, чтобы производить сравнение между хондритами (CI), Землей и Луной, следует отнести все концентрации к элементу, содержание которого предполагается неизменным.

Тогда отчетливо выявляется обедненность Луны не только железом, но и кремнием и магнием. Исходя из экспериментальных данных, этого следовало ожидать при существенной потере железа в процессе испарения.

А. Хашимото (1983) подвергал испарению расплав, который изначально имел хондритовый состав. Анализ его эксперимента обнаруживает, что при 40% испарения, остаточный расплав приобретает состав, почти аналогичный лунному. Таким образом, состав Луны, в том числе наблюдаемый дефицит железа, могут быть получены при образовании спутника Земли из первичного хондритового вещества. И тогда нет необходимости в гипотезе катастрофического удара.

Асимметрия роста зародышей Земли и Луны

Остается второй из заданных выше вопросов – почему Земля не обеднена железом, а также кремнием и магнием в той же степени, что и Луна. Ответ на него потребовал решения еще одной компьютерной задачи. Прежде всего, отметим, что после фрагментации и образования в коллапсирующем облаке двух горячих тел, остается большое количество вещества в окружающем их облаке частиц. Окружающая масса вещества остается холодной по сравнению с относительно высокотемпературными консолидированными зародышами.

Рис. 8 – Компьютерное моделирование показывает, что больший из образовавшихся зародышей (красный цвет) развивается гораздо быстрее и аккумулирует большую часть оставшегося исходного облака частиц (синий цвет).

Первоначально оба фрагмента, как тот, которому предстояло стать Луной, так и тот, которому предстояло стать Землей, были обеднены летучими и железом практически в одинаковой степени. Однако компьютерное моделирование показало, что если один из фрагментов оказался (случайно) несколько большей массы, чем другой, то дальнейшая аккумуляция вещества протекает крайне асимметрично. Зародыш большего размера растет гораздо быстрее. С увеличением разницы в размерах лавинообразно возрастает различие скоростей аккумуляции вещества из оставшейся части облака. В результате зародыш меньшего размера лишь немного изменяет свой состав, в то время как зародыш большего размера (будущая Земля), аккумулирует практически все первичное вещество облака и в конечном счете приобретает состав, весьма близкий к составу первичного хондритового вещества, за исключением наиболее летучих компонентов, безвозвратно покидающих коллапсирующее облако. Заметим еще раз, что утрата летучих элементов в этом случае происходит не за счет испарения в пространстве, а за счет выжимания остаточного пара коллапсирующим облаком.

Таким образом, предложенная модель объясняет сверхобедненность Луны летучими и дефицит железа в ней. Главная особенность модели –введение в рассмотрение фактора испарения, причем в условиях, исключающих или сводящих к малым величинам фракционирование изотопов. Этим преодолевается фундаментальная трудность, с которой сталкивается гипотеза мегаимпакта. Фактор испарения впервые позволил получить математическое решение развития двойной системы Земля – Луна при реальных физических параметрах. Нам представляется, что предложенная нами новая концепция происхождения Луны из первичного вещества, а не из мантии Земли, лучше согласуется с фактами, чем американская гипотеза мегаимпакта.

Предстоящие задачи

Хотя ответы на многие вопросы были получены, еще немало их остается, и встает новая крупная проблема. Она состоит в следующем. Мы в своих расчетах исходили из того, что Земля и Луна, по крайней мере их зародыши размером 2–3 тыс. км, возникли из облака частиц. Между тем существующая теория аккумуляции планет описывает образование планетных тел как результат соударения твердых тел (планетезималей) сначала метрового, потом километрового, стокилометрового и т.д. размеров. Следовательно, наша модель требует, чтобы в течение ранней стадии развития протопланетного диска в нем возникали и росли до почти планетарной массы крупные сгущения пыли, а не ансамбль твердых тел. Если это действительно так, то речь идет не только о модели происхождения системы Земля – Луна, но и о необходимости пересмотра теории аккумуляции планет в целом.

Остаются вопросы, касающиеся следующих аспектов гипотезы:

• необходим более детальный расчет температурного профиля в коллапсирующем облаке, совмещенный с термодинамическим анализом распределения элементов в системе частица – пар на разных уровнях этого профиля (пока это не сделано, модель остается скорее качественной гипотезой);
• следует получить более строгое выражение для газодинамического отталкивания с учетом локального характера действия этой силы в отличие от гравитационного взаимодействия.
• в модели оставлен в стороне вопрос о влиянии Солнца, произвольно выбран радиус диска и не рассмотрено деформирующее влияние столкновения сгущений при формировании диска.
• для получения более строгого решения важно было бы перейти к трехмерной постановке задачи и увеличить число модельных частиц;
• необходимо рассмотреть случаи формирования двойной системы из протодиска меньшей массы, чем суммарная масса Земли и Луны, так как вполне вероятно, что процесс аккумуляции происходил в две стадии – на ранней стадии – коллапс пылевого сгущения с образованием двойной системы, а на поздней стадии – дополнительный рост за счет соударения образовавшихся к тому времени в Солнечной системе твердых тел;
• в динамической части нашей модели остается не разработанным вопрос о причине высокого значения начального момента вращения системы Земля – Луна и заметного наклона оси Земли к плоскости эклиптики, в то время как гипотеза мегаимпакта такое решение предлагает.

Ответы на эти вопросы в значительной мере зависят от общего решения упомянутой выше проблемы эволюции сгущений в протопланетном вокругсолнечном газопылевом диске.

Наконец, следует иметь в виду, что наша гипотеза предполагает некоторые элементы гетерогенной аккреции (послойное формирование небесного тела), правда в смысле, противоположном принятому. Сторонники гетерогенной аккреции предполагали, что у планет сначала тем или иным способом образуется железное ядро, а затем уже нарастает преимущественно силикатная оболочка мантии. В нашей модели первоначально возникает зародыш, обедненный железом, и лишь последующая аккумуляция приносит обогащенный железом материал. Понятно, это существенным образом видоизменяет процесс формирования ядра и связанные с ним условия фракционирования сидерофильных элементов, и другие геохимические параметры. Таким образом, предложенная концепция открывает новые аспекты исследования в динамике формирования солнечной системы и в геохимии.

Содержание статьи

ЛУНЫ ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ИСТОРИЯ. Истории Луны интересна не только сама по себе, но и как часть общей проблемы происхождения Земли и других планет Солнечной системы. В последнее время мы много узнали о физических и химических характеристиках Луны. Эти данные получены не только с Земли, но и с помощью космических аппаратов. Например, автоматические станции «Сервейор-5, -6 и -7», мягко севшие на Луну в 1967 и 1968, впервые позволили определить ее химический состав. Образцы лунных пород и пыли, доставленные американскими астронавтами по программе «Аполлон» (1969–1972) и советскими автоматическими аппаратами серии «Луна» (1970–1976), дали возможность детально измерить их химические и физические характеристики и установить по ним возраст Луны.

Полученные данные позволяют узнать многое об истории Луны, но вопрос о ее происхождении все равно остается трудным. Существует несколько теорий возникновения Луны. Согласно одной из них, Луна – это часть Земли, некогда оторвавшаяся от нее. Другая теория рассматривает Землю и Луну как двойную планету, сформировавшуюся при аккумуляции одного и того же вещества в пространстве. Третья теория утверждает, что Луна сформировалась независимо и затем была захвачена Землей.

Возраст лунной поверхности.

Крупные детали на поверхности Луны образовались в основном вследствие метеоритной бомбардировки. Только темные моря наверняка связаны с вулканической деятельностью, с извержением богатой железом базальтовой лавы.

Определение возраста лунных пород радиоизотопным методом показало, что некоторые образцы, доставленные «Аполлоном-17», имеют возраст 4,6 млрд. лет, т.е. почти тот же возраст, что и сама Луна. Однако большая часть материковых пород моложе примерно на 700 млн. лет. Это указывает, что активная бомбардировка Луны закончилась 3,9 млрд. лет назад, оставив после себя огромные круглые воронки, такие как Море Дождей и Море Восточное. Морской базальт еще моложе: от 3,9 до чуть более 3,0 млрд. лет. Однако анализ изотопов четко показывает, что разделение химических элементов в недрах Луны произошло 4,3 млрд. лет назад. Примерно в это время сформировались истоковые области основных лунных пород. См . РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ.

По окончании извержения последней морской лавы (вероятно, в Море Дождей) самым значительным событием в истории Луны было образование кратеров, таких, как Коперник (850 млн. лет назад) и постепенное нарастание толстого пылевого слоя – лунного реголита – под действием ударов мелких метеоритов и ионизующего облучения.

Поскольку лунные детали не сильно изменились за время существования Солнечной системы, по ним можно судить о самых ранних эпизодах в истории системы Земля – Луна. Тот факт, что большинство лунных кратеров гораздо старше самых древних земных пород, помогает понять, почему на Земле мы не встречаем крупных ударных бассейнов: обладая более мощным гравитационным полем, Земля в первые 700 млн. лет существования Солнечной системы должна была подвергаться более интенсивной бомбардировке, чем Луна, но активные геологические процессы на Земле уничтожили все свидетельства той бомбардировки.

Жесткость.

Различные данные позволяют заключить, что Луна значительно более жесткий объект, чем Земля, а значит, температура в недрах Луны была относительно невысокой. Изучение орбиты Луны и ее либраций показало, что фигура Луны представляет собой трехосный эллипсоид. Эта форма не соответствует той, которую должна была бы принять Луна под действием собственной силы тяжести, гравитационного поля Земли и центробежных сил, вызванных вращением Луны. Для поддержания этой неправильной формы требуется, чтобы Луна была жесткой, по крайней мере в своих внешних слоях.

Области большой концентрации массы – масконы, открытые в 1968 под лунной поверхностью, также указывают на достаточную жесткость внешних оболочек Луны. Масконы располагаются под круглыми морями, сформировавшимися в результате мощных столкновений (например, Море Дождей, Море Ясности, Море Кризисов, Море Нектара и Море Влажности), а также под областями, которые в прошлом могли быть морями, но затем оказались покрыты ударными кратерами. Масконы демонстрируют, что на Луне, по крайней мере в областях, лежащих над масконами, отсутствует изостазия – известное на Земле явление, при котором массивные блоки коры медленно тонут до тех пор, пока не достигнут равновесия с остальными участками коры.

Для объяснения масконов предложены различные гипотезы: 1) это остатки упавших на Луну тел. Возникшие при ударе кратеры должны были заполниться расплавленными силикатами, фрагментами породы и пылью, образовав ровную морскую поверхность. При разумных допущениях эта идея обеспечивает хорошее согласие наблюдаемого избытка массы с возможной массой падавших объектов; 2) масконы образованы потоками лавы, заполнившей большие ударные бассейны. Однако трудно поверить, что миллионы кубических километров лавы могли излиться в эти области и затем не растечься; 3) это наружные «пробки» плотного вещества мантии, застывшего в местах столкновений.

Плотность и химический состав.

Средняя плотность Луны 3,34 г/см 3 . Это близко к плотности метеоритов хондритов, т.е. солнечного вещества, за исключением наиболее летучих его компонентов, таких, как водород и углерод. Плотность Луны близка и к плотности земной мантии; по крайней мере, это не противоречит гипотезе о том, что Луна некогда оторвалась от Земли. Значительно более высокая средняя плотность Земли (5,5 г/см 3) в основном обусловлена плотным железным ядром. Низкая плотность Луны означает отсутствие у нее заметного железного ядра. Более того, момент инерции Луны свидетельствует о том, что это шар однородной плотности, покрытый анортозитовой (богатый кальцием полевой шпат) корой толщиной 60 км, что подтверждается сейсмическими данными. См . ЗЕМЛЯ; МЕТЕОРИТ.

Основными лунными породами являются: 1) морские базальты, более или менее богатые железом и титаном; 2) материковые базальты, богатые камнем, редкоземельными элементами и фосфором; 3) алюминиевые материковые базальты – возможный результат ударного плавления; 4) магматические породы, такие, как анортозиты, пироксениты и дуниты.

Реголит (см. выше ) состоит из фрагментов основной породы, стекла и брекчии (порода, состоящая из сцементированных угловатых обломков), образовавшихся из основных типов пород. Лунные породы не полностью схожи с земными. Обычно лунные базальты содержат больше железа и титана; анортозиты на Луне более обильны, а летучих элементов, таких, как калий и углерод, в лунных породах меньше. Лунные никель и кобальт, вероятно, были замещены расплавленным железом еще до окончания формирования Луны. См . БАЗАЛЬТ; БРЕКЧИЯ; ГЕОЛОГИЯ; МИНЕРАЛЫ И МИНЕРАЛОГИЯ.

Тепловая история.

Современная температура лунных недр зависит от ее начальной температуры и тепла, выделившегося и сохранившегося с момента ее образования. Начальная высокая температура внешних слоев Луны в основном обязана кинетической энергии вещества, падавшего на Луну на заключительной стадии ее формирования. Определенный вклад мог внести и короткоживущий изотоп алюминий-26. Вместе эти явления могли породить «океан» расплавленной магмы глубиной в сотни километров и дефицит летучих элементов.

Выделение тепла в глубоких слоях Луны зависит от концентрации радиоактивных изотопов уран-235, уран-238, торий-232 и, в меньшей степени, калий-40. Сохранение этого тепла зависит от теплопроводности внешних слоев Луны. Тепловой поток из лунных недр был измерен экспедициями «Аполлон-15 и -16» и показал относительно высокое содержание урана и тория на фоне дефицита других тугоплавких элементов. Современный температурный профиль Луны, т.е. ход температуры с глубиной, был изучен в экспериментах по электропроводности. Оказалось, что температура плавления достигается лишь на глубине 1000 км; это согласуется с сейсмическими данными о небольшом расплавленном ядре и глубине очагов лунотрясений около 800 км.

Происхождение.

В конце 19 в. Дж.Дарвин предположил, что Луна оторвалась от Земли в результате резонанса колебаний. Если объединить Луну и Землю, то период вращения составил бы примерно 4 ч. Период естественных колебаний Земли, по мнению ученых 19 в., был около 2 ч. Это указывает, что мог возникнуть резонанс, приводящий к усилению колебаний до такой степени, что от единого тела мог оторваться небольшой «кусочек» – Луна. Но теперь известно, что период собственных колебаний Земли короче 1 ч. Кроме того, затухание колебаний, вызванное сильным внутренним трением, не позволило бы им достичь большой амплитуды. К тому же только что отделившаяся Луна должна была бы обращаться по орбите быстрее Земли, и приливные силы вернули бы ее обратно.

Теорию отделения Луны пытались недавно возродить идеей о том, что момент инерции Земли уменьшился, когда ее вещество разделилось на металлическое ядро и силикатную мантию; от этого возросла скорость вращения, что и заставило часть вещества оторваться в качестве самостоятельного тела. Но все равно для этого требуется высокая начальная скорость вращения Земли, чтобы гигантская энергия вращения затем диссипировала в тепло земных недр, а большая часть момента была бы унесена из системы Земля – Луна, например, путем выброса значительной массы (что выглядит уж совсем невероятно). Итак, проблемы, связанные с сохранением энергии и момента импульса, делают теорию отделения Луны от Земли маловероятной. Последние химические данные, особенно в отношении железа и редкоземельных элементов, показали, что состав лунной поверхности существенно отличается от земной. Поэтому теорию отделения сейчас не рассматривают всерьез.

Ряд других теорий происхождения Луны основан на том, что она могла образоваться при объединении мелких частиц, движущихся по орбите вокруг первобытной Земли. В одной из моделей Земля и Луна формируются из единого газового облака как двойная планета. Но это маловероятно, поскольку по химическому составу Луна отличается от Земли, имеющей большое железо-никелевое ядро. Потерять же большую массу газа такая крупная планета, как Земля, не могла.

Другая теория двойной планеты утверждает, что Луна образовалась из облака мелких твердых частиц, обращавшихся вокруг Земли на последней стадии ее формирования. Предполагается, что эти частицы отличались от Земли по химическому составу и содержали больше воды или меньше тяжелых элементов, таких, как никель и железо. Но если было так, то система Земля – Луна должна была бы иметь больший удельный момент импульса, чем это следует из соотношения между массой и моментом для планет. По оценкам, Луна могла бы сформироваться из таких частиц за очень короткое время – примерно за 80 лет. В этом случае Луна была бы горячей, вопреки указанным выше фактам.

Теория захвата Луны популярна среди ученых, хотя на первый взгляд она кажется маловероятной, поскольку при захвате Луна должна была бы потерять большую энергию, равную Gm 1 m 2 /2c , где m 1 и m 2 – массы Земли и Луны, G – гравитационная постоянная, c – большая полуось орбиты (среднее расстояние между Землей и Луной). Предлагались различные механизмы захвата. В одном из них Луна была захвачена на обратную орбиту (т.е. обращалась вокруг Земли в направлении, противоположном движению большинства тел Солнечной системы); затем приливное влияние Земли уменьшило лунную орбиту и перевернуло ее плоскость, т.е. сначала орбита стала полярной, а затем прямой, с привычным нам направлением обращения; после этого размер орбиты начал возрастать. В точке наибольшего сближения с Землей расстояние до Луны было 2,9 земных радиуса. В этом случае потеря энергии должна составить 10 килоджоулей на каждый грамм лунного вещества, что примерно вчетверо больше энергии, необходимой для полного плавления Луны. Поэтому такую теорию трудно принять.

Согласно другой теории, сначала было захвачено несколько небольших лун, а позже из них сформировалась современная Луна. Только после этого приливные эффекты стали играть заметную роль, поэтому маленькие спутники могли находиться вблизи Земли длительное время. Разрушительный захват, в результате которого Луну буквально разорвало, когда она прошла вблизи Земли, мог бы объяснить потерю ею первоначального железа. С другой стороны, захват при столкновении мог бы объяснить сравнительно позднюю бомбардировку Луны. При этом избыток энергии был израсходован при столкновениях с малыми лунами, а бомбардировка происходила, когда Луна, удаляясь от Земли, встречалась с оставшимися спутниками.

По имеющимся данным можно предположить, что Земля сформировалась с периодом вращения около 10 ч, что дало ей большой удельный момент импульса. Одна Луна (или несколько лун) была захвачена Землей; эта Луна (или луны), обращаясь вокруг Земли, присоединяла к себе прочие тела, а некоторые выбрасывала с околоземной орбиты на околосолнечную. При этом Луна обращалась в прямом направлении по орбите с главной полуосью около 40 земных радиусов, которая не лежала в плоскости экватора Земли. Быстрое удаление Луны от Земли должно было начаться лишь в недавнем геологическом прошлом, когда океаны и континентальный шельф стали достаточно мощными, чтобы усилить приливное трение.

Теории захвата предполагают, что луноподобные объекты сформировались где-то до их захвата. Вполне вероятно, что этому способствовало наличие различных газов. Газовым телам свойственна гравитационная неустойчивость; это является главной причиной формирования звезд (см . ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС) . Этот же процесс мог способствовать аккумуляции твердых частиц в протопланетном облаке вокруг Солнца. Позже энергия излучения и вращающееся магнитное поле вытеснили газ из облака, а твердые тела остались на гелиоцентрических орбитах.

Луна – весьма необычный спутник. Только Харон – спутник Плутона, открытый в 1978, еще более массивен по отношению к своей планете. Если бы теории отрыва от Земли или теории двойной планеты были верны, то выглядело бы странным, почему Венера, столь похожая на Землю по массе и расстоянию от Солнца, не имеет спутника. Более того, Венера вращается в обратную сторону. Если бы у Меркурия, Венеры, Земли и Марса имелись большие спутники, двигающихся в прямом направлении, то Галилей и все ученые после него согласились бы, что эти спутники оторвались от своих планет или образовались вместе с ними. Странный наклон осей вращения многих планет и обратное вращение Венеры дают повод предполагать, что процесс их формирования протекал в присутствии многих крупных объектов типа Луны, и они, сталкиваясь, образовали планеты. И только Земля смогла захватить один из этих объектов, который стал нашей прекрасной Луной. А Венера, испытав столкновение с объектом, движущимся в обратном направлении, сама начала вращаться в том же направлении.

> > > Как образовалась Луна

Узнайте, как появилась Луна – единственный спутник Земли. Описание теорий создания Луны с фото: захват, масштабный удар и одновременное появление с Землей.

После того, как наша звезда Солнце пролила свет, начали формироваться планеты. А вот Луна решила подождать еще несколько миллионов лет. Как же она сформировалась? Есть теории: масштабный удар, одновременное появление и захват. Давайте внимательнее рассмотрим историю Луны.

Теории образования Луны

Масштабный удар

Это главная идея, у которой больше всего сторонников. Земля появилась из пылевого и газового облака. Тогда Солнечная система представляла собою настоящее поле боя, в котором объекты постоянно сталкивались, сливались и меняли орбиту. Один из них попал в Землю, которая как раз только сформировалась.

Ударный объект размером с Марс называют Тейя. При столкновении от нашей планеты отделились куски коры. Гравитация начала притягивать их, пока не образовался целостный объект. Это объясняет, почему Луна создана из более легких элементов, а также обладает меньшей плотностью, чем Земля. Когда материал сконцентрировался вокруг остатков ядра Тейи, то задержался около плоскости земной эклиптики.

Совместное формирование

Планеты и спутник могут формироваться одновременно. То есть, гравитация заставляла кусочки сгущаться и параллельно создавались два объекта. В таком случае, спутник будет обладать похожим с планетой составом и находиться неподалеку. Но Луна все же менее плотная, чего не должно быть, если они появились с одинаковыми тяжелыми элементами в ядре.

Захват

Касательно истории Луны есть мнение, что земная гравитация могла схватить пролетающее мимо тело (так было с марсианскими Фобосом и Деймосом). Скалистое тело могло сформироваться в другом месте нашей системы и втянулось в земную орбиту. Эта теория объясняет различие в составах. Но и здесь есть нестыковки, ведь обычно такие объекты имеют странную форму, а не сферическую. Да и орбитальный путь не встраивается в эклиптику.

Хотя две последние теории объясняют некоторые моменты, но они все же игнорируют множество важных вопросов. Поэтому первое предположение пока является наилучшей моделью появления спутника. Теперь вы больше знаете о том, как появилась Луна.