Науково-популярні статті з різних галузей астрономії

Місячні ландшафти

Зморшкуватий вид Місяця досі має рубці та сліди від подій у Сонячній системі, які відбувалися мільярди років тому. Поверхня цього небесного тіла дуже контрастна й чітко поділяється на світлі, найдавніші місця з дуже пересіченим рельєфом (материки) і темні, значно молодші, рівні низини, укриті тонким шаром подрібненого кам’янистого ґрунту (моря). Материки займають переважу частину видимої півкулі Місяця, і майже весь його зворотний бік. Це — великі гірські масиви, які зазвичай на 1—2 км вищі, аніж «морські» території. Моря — це басейни, що утворилися від ударів великих метеоритів близько 3 млрд років тому, їх заповнила розплавлена лава, яка згодом загусла. Загальна площа морів становить приблизно 17% усієї поверхні місячної кулі. Окрім того, вони, з невідомих причин, скупчилися головним чином на видимій півкулі Місяця.

Уся місячна поверхня, а найбільше — материкова, має різні рельєфні утворення, найпоширеніші з яких — кратери. Свою назву вони дістали від грецького слова «чаша», але ці утворення більше схожі на блюдця. Діаметри переважної частини кратерів значно більші, ніж їхня глибина. Розміри місячних кратерів — від кількох сантиметрів до сотень кілометрів. Підраховано, що на Місяці є близько 500 тисяч кратерів діаметром 1—2 км, а малих кратерів (діаметр яких менший від одного метра) налічується декілька мільярдів. На відміну від земних кратерів, що мають переважно вулканічне походження, місячні виникли в результаті ударів метеоритів різноманітних розмірів, хоча є й незначна частка таких, які утворилися внаслідок виверження вулканів. На Місяці немає атмосфери, а тому навіть невеликі метеорити долітають до його поверхні (у земній атмосфері вони просто згорають) та утворюють кратери. А відсутність ерозії сприяє тому, що і такі невеликі вибоїни зберігаються в первісному вигляді мільйони років.

Здебільшого кратери мають вали і заглиблене дно, а в центрі багатьох великих кратерів є узвишшя. Деякі кратери мають світлі промені, що стають найвиразнішими під час фази повного Місяця. Наприклад, промені, які розходяться від кратера Тіхо (діаметр 90 км) у північному та північно-східному напрямках, помітно аж до відстані 1200—1500 км. Спостерігаючи їх у бінокль, побачимо, що кратер — це ніби полюс, від якого в різні боки йдуть світлі промені — меридіани. Дослідження показали, що ці утворення пов’язані, зокрема, з тонким шаром пилоподібної речовини викидів із кратера, які за певного ракурсу освітлення набувають такої своєрідної форми. Але пояснення не лише в цьому. Світлі промені, зумовлені шершавим і кам’янистим матеріалом, можуть проявлятися лише за певних масштабу й освітлення. Так, під час фотографування цієї місцевості з близької відстані ніяких променів не виявлено.

Характерними утвореннями місячної поверхні є скупчення кратерів, названі ланцюжками, та кільцеві й багатокільцеві структури. Мабуть, кратери в таких структурах мають спільне походження. Дуже виразні кратерні ланцюжки можна побачити на другому боці Місяця, у районі Моря Східного. Найбільші з місячних кратерів містяться також там, зокрема, з 28 кратерів, діаметри яких не менші від 200 км, 23 — на невидимій півкулі. Серед них — кратер Корольов (діаметр 437 км), названий на честь видатного конструктора космічних кораблів, нашого славетного земляка.

Що ж до таких утворень місячної поверхні, як гірські пасма, то вали кратерів теж можна вважати горами. Ще одним різновидом гір на Місяці є хребти. Це переважно вали, що оточують моря. Чітко виражених лінійних структур гірських хребтів, поширених на земній поверхні, на Місяці не виявлено. Але є інші лінійні утворення — тріщини, борозни та долини. Тріщини мають стрімкі гострі краї і простягаються на сотні кілометрів, а їхні ширина та глибина становлять сотні метрів. Утворення з менш крутими боками названо борознами; вони схожі на русла річок. Усього на Місяці виділено кілька сотень тріщин і борозен. Прямолінійні (завширшки кілька десятків кілометрів) западини звуться долинами. Найбільшою вважають Альпійську долину (є й така на Місяці), яка прорізує місячні гори Альпи; вона завдовжки близько 170 км і завширшки 10—15 км. Ця долина має високі стрімкі береги та рівне дно.

Донедавна найбільшим кратером на Місяці вважали Море Дощів (діаметр 1123 км), оточене гірським кільцем. У 1994 р. за допомогою КА «Клементина» на зворотному боці Місяця відкрито велику западину, про існування якої раніше лише здогадувались. Вона простягається від кратера Ейткен (16° південної широти) і аж до південного полюса. Басейн «Південний полюс—Ейткен» (така його умовна назва) є найдавнішим з усіх об’єктів Місяця. А ще це — найбільший і найдавніший ударний кратер у всій Сонячній системі. Такий величезний «шрам» на Місяці (завширшки 2500 км і завглибшки близько 13 км), вірогідно, міг утворитися внаслідок падіння на його поверхню небесного тіла діаметром близько 200 км, а трапилося це приблизно 4 млрд років тому.

Тепер відомо, що перепад між найвищою та найнижчою точками на Місяці становить понад 16 км. Раніше вважалося (зокрема, за даними експериментів програми «Аполлон»), що цей розмах дорівнює 11—12 км. Оцінки показують, що південний полюс міститься нижче від середнього рівня Місяця приблизно на 2 км.

Загадковими об’єктами на Місяці є так звані свірли (дослівно «водоверті»). Це яскраві, не виражені в рельєфі, деталі; від навколишніх місць вони відрізняються лише своїм альбедо. Найімовірніше, причиною виникнення свірлів є удари роїв частинок і каменів — кометних залишків.

Ми розглянули лише найвиразніші форми рельєфу місячної поверхні. Насправді ж їхнє розмаїття багатше. Серед материкових різновидів є гребені, кручі, миси, цирки (так іноді називають великі кільцеві гори), куполи (окремі височини, схожі на пухирці), столові гори (скелі з плескатими вершинами). Низки кратерів називають катенами, а окремі ділянки морів — озерами, затоками і навіть болотами (звичайно ж, ці назви умовні). Великі кратерні утворення (переважно на невидимому боці), подібні до морів, але вкриті не темною, а світлою речовиною, іноді називають таласоїдами.

Місячне довкілля

На Землі людина зазнає впливу гравітаційного та магнітного полів, а від зовнішніх факторів її захищає атмосфера. Ми всі звикли до змін погоди на Землі. На Місяці все по-іншому. Через те, що Місяць у 81,3 рази легший від Землі, прискорення вільного падіння на ньому дорівнює 1,623 м/с², отже, сила тяжіння там приблизно в шість разів менша, ніж на поверхні Землі. Тому доросла людина масою 100 кг (тобто вагою 1000 H) на Місяці важитиме стільки, скільки на Землі пудова гиря, — приблизно 160 Н. Мускульна ж сила людини на Місяці залишається земною. Навіть з важкою ношею за плечима астронавти на місячній поверхні пересуваються дуже легко. Проте вага фізичного тіла залежить від того, де саме на поверхні Місяця воно перебуває. Наприклад, у Морі Дощів людина важитиме на 1,5 кг більше, ніж за його межами. Отже, Море Дощів і, як виявилось, більша частина круглих морів притягують сильніше, аніж інші місця. Як з’ясувалося, штучні супутники, пролітаючи над цими територіями, прискорюють свій рух, що свідчить про наявність у таких точках надлишку мас. Це так звані додатні гравітаційні аномалії, які дістали назву маскони (від англійських слів mass concentration — концентрація мас). Походження масконів — поки що одна з багатьох загадок Місяця. Найвірогіднішою є гіпотеза, згідно з якою давно, в епоху, коли Місяць був максимально розігрітим (близько 3 млрд років тому), на нього падали важкі метеорити, від чого й утворилися моря. Самі ж ці тіла залишилися на певній глибині, утворивши місцеві надлишки маси.

На Місяці немає звичного для Землі магнітного поля. На відміну від Землі з її магнітосферою, яскраво вираженими магнітними полюсами та довжелезним магнітним «хвостом», спрямованим у протилежний від Сонця бік, Місяць — немагнітна діелектрична сфера. Якщо на Місяці і є магнітне поле, то дуже слабке: його напруженість становить 10^-5— 10^-6 напруженості геомагнітного поля. Щоправда, трапляються (переважно на материках) досить помітні локальні варіації магнітного поля Місяця; вони зумовлені намагніченістю місячних порід. Як відомо, магнітне поле планети виникає внаслідок електромагнітних і механічних процесів, що відбуваються в її ядрі. На відміну від ядра Землі (тверде внутрішнє й рідке зовнішнє ядро), місячне ядро — це щось проміжне між твердим і рідким, напевне, воно «пластичне» і в ньому не відбуваються процеси, які б породили магнітне поле. Про ядро Місяця мова ще йтиме далі.

Оскільки друга космічна швидкість на Місяці відносно невелика (2,38 км/с), газова оболонка навколо нього практично відсутня. Атмосферний тиск становить усього 3 · 10^-5 бар, а загальна маса місячної атмосфери — лише кілька десятків тонн. Вона містить головним чином аргон, водень, гелій та неон.

Про те, що Місяць не випромінює власного світла, люди знали ще в давнину. Зокрема, давньогрецький учений Анаксагор стверджував, що Місяць світить відбитими від Сонця променями. Хоча Місяць і є найяскравішим нічним світилом (пригадаймо чарівні рядки Михайла Старицького, що стали народною піснею, — «Ніч яка, Господи! Місячна, зоряна: Ясно, хоч голки збирай...»), насправді ж він належить до найтемніших природних об’єктів Сонячної системи (серед планет темніший за нього тільки Меркурій). Альбедо Місяця становить у середньому 12,4 % (у материкових ділянок трохи більше, у морських дещо менше). Якби Місяць відбивав так, як Земля, ночі були б набагато світлішими, ніж тепер при повному Місяці (альбедо Землі приблизно втричі більше від місячного). А якби Місяць світився так, як Іо — супутник найбільшої планети Юпітер, то вночі можна було б обійтись без штучного освітлення. Альбедо Іо, багато в чому схожої на Місяць (обоє мають приблизно однакові розміри, в обох відсутня атмосфера), становить 61%, тобто поверхня цього супутника Юпітера набагато світліша, ніж місячна. Якщо на поверхні Місяця є безліч кратерів здебільшого метеоритного походження, то на Іо за допомогою космічного зонда «Вояджер» виявлено кілька сотень кратерів вулканічної природи, до того ж приблизно десять з них — «живі» вулкани.

Отже, Місяць світить, та не гріє (згадаймо Степана Руданського: «Ой, місяцю! — циган каже. Жаль твої краси! Ти лиш світиш, а не грієш, дармо хліб їси»). Та насправді на Місяці може бути як дуже спекотно, так і неймовірно холодно. Протягом тривалого дня його поверхня сильно нагрівається (на місячному екваторі полуденна температура сягає +130° С — якби й була на ньому вода, то википіла б), а вночі охолоджується до -170 °С. У деяких постійно затінених місцях (є такі на Місяці поблизу його полюсів) температура може бути ще нижчою.

Холодні пастки на Місяці

Вісь обертання Місяця майже перпендикулярна до сонячних променів (нахил площини його орбіти до екліптики становить всього близько 1,6°). Це означає, що на Місяці немає зміни пір року, а поблизу полюсів є заглибини, які ніколи не освітлює Сонце. Ці заглибини — своєрідні холодні пастки, в яких протягом сотень мільйонів років могли накопичуватись леткі речовини. Не виключено, що холодні пастки можуть бути сховищем великих запасів водяного льоду, що мало б стратегічне значення з погляду подальшого освоєння Місяця.

Унаслідок постійного бомбардування місячної поверхні метеорами й, особливо, кометами (які здебільшого на 90 % складаються з водяного льоду) утворюються великі хмари молекул води. Вони швидко переміщуються над місячною поверхнею, інтенсивно «вивітрюючись» у космічний простір. Деяка частина їх потрапляє у згадані холодні пастки, звідкіля вже неможливо втекти. Це, звичайно, незначна частка загальної кількості води, що опиняється на Місяці. Проте за більш ніж чотиримільярдну історію існування Місяця в постійно затінених місцях може осісти велика кількість льоду, де льодяний шар не лише зберігається, а й постійно накопичується завдяки падінню нових об’єктів.

Можливо також, що колись навколоземний простір відвідав «рій» велетенських комет, які прилетіли з поясу Койпера та рухалися з дуже високою швидкістю. Пояс Койпера — це нещодавно виявлене скупчення кометоподібних тіл за межами орбіти Нептуна. Уважають, що там є, принаймні, 35 000 об’єктів з діаметрами понад 100 км і понад 100 млн космічних тіл з розмірами до 20 км. На орбіти об’єктів поясу Койпера впливають планети-гіганти, особливо Нептун, який час від часу відкидає ці небесні тіла за межі Сонячної системи або в її внутрішні області. Є думка, що планета Плутон з його супутником Хароном, а також супутник Нептуна Тритон — найбільші об’єкти поясу Койпера.

Внутрішня будова та поверхневий шар Місяця

Місячні надра складаються з двох частин: твердої оболонки — літосфери, яка містить кору, верхню і середню мантії, та астеносфери — шару зниженої міцності (можливо, навіть частково розплавленого), який складається з нижньої мантії та ядра. На Місяці, як і на Землі, кора відділена від мантії чіткою межею. Товщина місячної кори неоднакова в різних регіонах Місяця. На видимому боці в цілому, і особливо у морських районах, вона менша (50— 60 км), а на материках і на зворотному боці Місяця — значно більша (90—100 км). Найтонша ж кора в районах місячних масконів (30—35 км).

Поділ мантії на верхню, середню та нижню значною мірою умовний. Він ґрунтується на швидкості поширення сейсмічних хвиль. У верхній мантії вона спочатку зростає, потім дещо зменшується, а в середній мантії спадає стрибками. У нижніх шарах цієї зони зосереджується більша частина селенотрусів. У нижній мантії сейсмічні хвилі зникають практично повністю. Очевидно, речовина там перебуває в частково розплавленому стані з температурою близькою до 1500 °С (температура плавлення порід).

Учені припускають, що в центральній частині Місяця радіусом приблизно кілька сотень кілометрів міститься ядро. Найімовірніше, воно залізо-сульфідне. Через цю зону практично не проходять сейсмічні хвилі.

Поверхня Місяця вкрита шаром подрібненого кам’янистого матеріалу, який має назву реголіт. Реголіт, аналогів якому немає серед природних земних утворень, складається з дрібних пилових часток, скляних кульок, подібного до ріні матеріалу й дрібних кам’янистих уламків, котрі утворилися під час постійного метеорного й мікрометеорного бомбардування протягом тривалого геологічного періоду. Реголіт, який покриває практично всю місячну поверхню, має різну товщину: на морях близько 4 м, на материках — 8 м.

Мінеральний склад місячного ґрунту дуже схожий на склад земних порід типу базальтів, анортозитів і норитів. Причому встановлено, що морські райони на Місяці складаються головним чином з базальтів (надзвичайно тверді породи), а материкові породи — переважно з анортозитів. Основними породотвірними мінералами на Місяці, як і на Землі, виявились олівін, піроксен і плагіоклаз. За хімічною природою і базальти, і анортозити є алюмосилікатами (сполуки, в яких переважають алюміній і кремній), але в базальтах більший вміст заліза та магнію, а в анортозитах — алюмінію та кальцію. Тому зовнішньо морські області видаються темнішими від материкових. Для материкових базальтів характерні так звані КRЕЕР-породи, збагачені калієм (К), рідкісноземельними елементами RЕЕ (англійська абревіатура) та фосфором (Р). У морських районах ґрунт складається головним чином з подрібненого базальту.

Найпоширенішими хімічними елементами на Місяці є кисень, кремній, залізо, кальцій, алюміній, магній, титан, натрій та інші, причому найбільше — кисню (близько 42%). Усі вони перебувають у сполуках (в основному це оксиди), тобто входять до складу мінералів, які формують місячні породи. У поверхневому шарі практично відсутні коштовні метали: золото, платина, нікель (вони, як відомо, з киснем не з’єднуються). У місячному ґрунті є певна кількість металічного (чистого) заліза, яке міститься головним чином в уламках метеоритів.

Очевидно, що насамперед для промислових цілей на Місяці будуть використовувати реголіт, який, за наявними даними, складається з таких оксидів (у відсотках): кремній (кремнезем) — 44, алюміній (глинозем) — 16, залізо (закисне залізо) — 14, кальцій (гашене вапно) — 12, магній (палена магнезія) — 9, титан — 4. Частка інших оксидів (хром, марганець, натрій, калій, фосфор) менша від 1%. Основним мінералом для виробництва кисню на Місяці може стати ільменіт (на Землі відомий як титанистий залізняк), бо він досить поширений у багатьох, переважно морських, районах, а технологічна обробка його не така складна, як твердих силікатів. Побічним продуктом цього виробництва буде також чисте залізо, якого на Землі практично немає. Припускається, що поверхневий шар місячних порід містить величезні запаси ізотопу гелію-3 (практично відсутнього на Землі), накопиченого там у результаті тривалого опромінення сонячним вітром. Вони могли б мати стратегічне значення з погляду перспективного розвитку енергетики.

Хто він: «син», «чоловік» чи «брат» Землі?

Роздуми над проблемою утворення Місяця виникли, мабуть, ще в часи зародження людської свідомості. З’ясувати, за яких обставин з’явився Місяць, не лише цікаво, але й важливо з погляду науки. Розв’язання цієї проблеми дало б змогу розгадати таємниці народження планети Земля та Сонячної системи в цілому.

Відомо, що більша частина природних супутників у Сонячній системі обертаються навколо своїх планет в їхніх (планетних) екваторіальних площинах. Місяць же унікальний: його навколоземна орбіта лежить майже в площині екліптики, де обертаються планети й основна маса астероїдів. Цей феномен є важливим для спроб з’ясувати походження Місяця.

Донедавна панували та конкурували між собою три гіпотези стосовно походження Місяця. Учені вважали, що Місяць може бути або «сином» Землі — шматком нашої планети, який від неї відокремився, або «чоловіком» Землі — небесним тілом, захопленим нею з якоїсь іншої навколосонячної орбіти, або, нарешті, «братом» Землі, тобто космічним об’єктом, утвореним шляхом акреції матерії в одному й тому ж протопланетному диску водночас із Землею. На різних стадіях розвитку наших уявлень про Місяць переважала та чи інша гіпотеза. Найпопулярнішою була гіпотеза відокремлення, яку запропонував 1880 р. Дж. Дарвін, син видатного еволюціоніста Ч. Дарвіна. Згідно з цією гіпотезою Місяць є шматком Землі, який вивергнула на ранньому етапі еволюції нашої планети її мантія, яка швидко оберталася. Таке виверження стало можливим через нестійкість, викликану дією припливної сили Сонця; на думку деяких учених, результатом цього виверження може бути басейн Тихого океану. Гіпотеза відокремлення, однак, не може пояснити багатьох фактів, відомих у небесній механіці, а також відмінностей хімічного складу Землі та її супутника. Зокрема встановлено, що наявність багатьох летких і сідерофільних елементів (кобальт, нікель, золото, платина, радон та ін.) значно менша на Місяці, ніж у земній мантії. Істотна розбіжність відносного вмісту названих елементів на Місяці та в мантії Землі могла б свідчити про несхожість хімічної еволюції обох цих небесних тіл. Та виявилося, що хімічна подібність Землі й Місяця досить велика, можливо навіть, що вона більша, ніж відмінність.

Дослідження Місяця за допомогою космічних апаратів, а також аналіз доставлених на Землю зразків місячного ґрунту і порівняння їх із земними схиляють до думки про земне походження Місяця, хоча розрахунки доводять, що однієї припливної сили Сонця не досить, аби «відірвати» від Землі такий великий шматок. А чи не міг Місяць утворитися все-таки внаслідок відділення від Землі, але під дією не лише припливної сили Сонця, а й якогось іншого тіла, якоїсь додаткової сили? Але якої?

У 70-ті рр. минулого століття з’явилася нова гіпотеза утворення Місяця, яка тепер найпопулярніша. Згідно з цією гіпотезою Місяць утворився в результаті зіткнення Землі з космічним тілом, подібним за розмірами до планети Марс. Після зіткнення (а сталося це понад 4 млрд років тому) найважча частина фрагментів, що утворилися, упала на Землю, а з матеріалу, викинутого за межу Роша (приблизно три земні радіуси), поступово сформувався Місяць. Отже, Місяць таки «син» Землі, але народжений за надто драматичних обставин. Гіпотезу велетенського удару схвалили багато вчених, особливо прихильники земного походження Місяця, бо вона знімає чимало питань, які постають у разі інших припущень.

Усе ж пошуки пояснень походження Місяця тривають. Сучасний стан розвитку космічної техніки та технології вселяє надію на те, що таємниця походження Місяця в недалекому майбутньому буде розгадана. Для цього слід здійснити серію цілеспрямованих експериментів. Треба організувати всебічне вивчення поширеності хімічних елементів у місячних породах у ширшому, ніж дотепер, масштабі шляхом вивчення зразків місячних порід; проводити систематичні вимірювання з поверхні Місяця, зокрема теплових потоків; виконати селенофізичні та селенохімічні дослідження за допомогою полярного супутника Місяця; організувати спеціальні запуски апаратів до Марса та Венери для збирання атмосферних газів і доставки їх на Землю; провести подальше вивчення місячних і земних порід, а також метеоритів, щоб вирішити питання, чи дійсно Місяць молодший від метеоритів деяких типів. Якщо комплекс наведених досліджень буде проведений, то з’являться шанси для побудови загальноприйнятої теорії походження Місяця, яка замінить усю множину наявних тепер недосконалих гіпотез.

*******

Місяць часто називають мертвою планетою, бо він практично не подає ознак вулканічної чи геологічної активності. На початковій стадії свого формування це небесне тіло зазнало сильного метеоритного бомбардування, проміжок часу 3,8—3,1 млрд років тому є періодом інтенсивної вулканічної діяльності на Місяці, а приблизно 3,1 млрд років тому Місяць «умер» геологічне (звичайно, місячна поверхня зазнавала впливу метеорних бомбардувань і залишкових внутрішніх процесів — селенотрусів, а мікрометеоритна ерозія поверхні відбувається донині). Таким чином, а також зважаючи на відсутність атмосфери, місячний рельєф, особливо на материках, має бути старішим від земного, адже Земля дотепер є геологічно активною. Разом з тим Місяць не є абсолютно мертвим небесним тілом. На ньому часто спостерігаються різні аномальні, або, як їх називають, нестаціонарні, явища. Колекція таких спостережень, проведених за допомогою наземних і космічних засобів, нараховує тисячі, а то й десятки тисяч випадків. Багато з цих явищ зумовлено процесами, що відбуваються в надрах Місяця, але є й такі (і їх багато), які чекають на своє пояснення (див. «Короткий астрономічний календар» за 1993 р.).

Джерело: Астрономічний календар 2006, с. 216—224