МОРФОЛОГИЯ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Лунная морфология очень сложна и своеобразна. Лунный ландшафт не имеет ничего сходного с земным. Есть сходство с ландшафтом Меркурия и, в меньшей степени, с марсианским ландшафтом. Наиболее заметны на Луне «моря», видимые невооруженным глазом как темные пятна (рис. 215). Их визуальное альбедо в среднем около 0,079. Таким альбедо на Земле обладают лавы, обсидиан (вулканическое стекло). Размеры «морей» — 500—700 км и даже 1000 км в поперечнике. Более светлые «материки» (альбедо в среднем 0,120) имеют очень сложную структуру. На них больше всего выделяются многочисленные кольцевые горы, среди которых различают цирки, кратеры и кратерочки. Цирк представляет собой большую круглую равнину (дно) окаймленную кольцевым горным хребтом (валом). Диаметр вала цирка достигает иногда 250 км, а высота 5 км. Из-за большой кривизны лунной поверхности для наблюдателя, стоящего в центре большого лунного цирка, вал может оказаться невидимым, находясь под линией горизонта. У некоторых цирков дно бывает очень темным (альбедо около 0,084), и их можно рассматривать как форму, близкую к морям, тем более, что моря тоже бывают частично окаймлены горными хребтами, а одно из малых морей (диаметр около 500 км), Море Кризисов, сплошь окружено хребтами и может рассматриваться как гигантский, цирк. Другие цирки более светлы — их альбедо достигает 0,140. Как правило, дно цирка лежит ниже окружающей местности, но бывает и наоборот, в частности, известен цирк Варгентин, заполненный до самого верха вала, так что он выглядит круглой столовой горой. Единичные цирки встречаются и внутри морей.

С другой стороны, при тщательном анализе изображений Луны, полученных ее искусственными спутниками, намечаются немногочисленные древние цирки диаметром 400—700 км, почти спрятанные за более поздними структурами.

(см. скан)

Рис. 215. Монтаж снимков Луны, сделанных во время первой и последней четверти, благодаря чему особенности лунной поверхности выглядят рельефно. Во время полнолуния все детали на Луне лишены резкости, так как тени от них не видны Юг — вверху

Кратер — это тот же цирк, но обладающий остроконечной горкой, расположенной в центре кольцевого вала. Кратеры меньше цирков, но самые крупные из них, например Тихо, Коперник, Циолковский, достигают размеров цирков (диаметр вала до 200 км). Темное дно у кратеров не встречается, а некоторые среди них — Аристарх, Кеплер, Тихо, Прокл — имеют особенно высокую яркость (альбедо до 0,181 у Аристарха) и выглядят в полнолуние яркими точками на лунном диске.

В противоположность им кратер Циолковский имеет очень темное дно диаметром около 120 км и центральную гору, очень светлую, вытянутую до 40 км.

Число цирков и кратеров больших размеров (диаметр более 20 км) на видимой стороне Луны исчисляется сотнями. Более мелкие образования, например 10 км в поперечнике, насчитываются уже тысячами, а совсем мелкие кратерочки (или лунки), усеивающие поверхность лунных материков, в том числе дно и валы цирков и кратеров, сотнями тысяч.

Существующий каталог лунных образований содержит свыше 17 000 кратеров диаметром больше 3,5 км только на видимой стороне.

Их размеры снизу ограничиваются лишь разрешающей силой наших телескопов (на Луне предмет размером в 1,86 км виден под углом в Г; при очень хороших условиях наблюдения визуально можно уловить деталь размером не меньше 200 м, а фотографически — 700 м).

Совсем иные образования — горные хребты, тянущиеся на сотни километров, преимущественно около границы морей, и обращенные к последним своими более обрывистыми склонами. У них выделяются отдельные вершины или пики. Впрочем, пики встречаются и вполне обособленные, уединенные, особенно хорошо заметные в морях. Вершина Брадлей в гррной гряде Апеннины достигает высоты 4,7 км над уровнем соседнего Моря Дождей. Самая высокая гора на Луне — пик Лейбница у южного полюса — имеет высоту до 9 км! Самые низкие места на Луне — в области Моря Дождей и Океана Бурь — находятся ниже среднего уровня на 2,5 км, а самые высокие плато материков — выше этого уровня на 1,5 км. Крутые склоны горных хребтов имеют средний угол наклона к горизонту 30°. Гораздо более мягкие очертания имеют невысокие и пологие валы или жилы, заметные на поверхности морей лишь при очень косом освещении.

Противоположность им составляют тонкие с очень обрывистыми краями трещины. Их ширина и глубина составляет несколько сотен метров, но длина бывает равна 100 км и в одном случае доходит до 350 км (трещина в районе кратера Триснекер). Более широкие и менее обрывистые из них называются бороздами. Обычно и те и другие по своей длине имеют изломы и извилины. Часто трещины являются как бы ниткой, на которую нанизаны многочисленные мелкие кратеры.

Сходным с трещинами образованием лунной поверхности являются лунные долины, ширина которых достигает 10 км при длине до 180 км и больше.

Такова, например, прямолинейная долина в хребте Альп, имеющая ровное дно и крутые склоны. Обратная им структура — Прямая Стена — высокое ровное образование высотой до 400 м и длиной 150 км. Наклон отдельных ее мест доходит до 40°.

Исключительно интересной деталью на поверхности Луны являются светлые лучи, исходящие из некоторых кратеров и тянущиеся на огромные расстояния по дугам больших кругов, напоминая пучок меридианов, исходящих из полюсов на земном глобусе. Они пересекают встречающиеся на их пути цирки, кратеры, моря и горные хребты, не изменяя своего направления. Особенно заметна система лучей, исходящих из кратера Тихо вблизи южного полюса Луны. Один из этих лучей простирается на длину почти 4000 км (130° по дуге большого круга). Очень богата и сложна система лучей, принадлежащих кратеру Коперник. Некоторые из кратеров имеют всего лишь один или два луча: например, у двух близких кратеров Мессье два луча расходятся под малым углом, образуя как бы сноп прожектора. Лучи имеют альбедо около 0,14 и видны на материках хорошо только вблизи полнолуний. На морях они видны всегда. Аналогичное лучам светлое вещество окружает некоторые кратеры в виде сияния, особенно хорошо заметного во времена, близкие к полнолунию.

В годы 1964—1965 отдельные участки Луны были особенно детально обследованы американскими космическими аппаратами «Рейнджер-7, 8, 9», снабженными телевизионными камерами. Они свободно падали на Луну и на участке подлета от 1800 км до 300 м вели передачу изображения поверхности Луны.

Вид поверхности Луны на малых участках, когда рассматриваются детали в десятки метров, удивительно одинаков в трех ее разных областях, в морях и на материке и отличается мягкостью очертаний. Это не относится к валам или центральным горкам кратеров, где, наоборот, наблюдается хаотическое нагромождение скал и глыб. Крупномасштабные снимки позволили также разложить лунные лучи на множество мелких кратеров, которые в совокупности дают повышенное отражение падающих солнечных лучей (рис. 216).

Так как Луна всегда обращена к Земле одним своим полушарием, нашему исследованию оставалась недоступной половина ее поверхности. Правда, явления либрации уменьшали невидимую часть Луны до 41 %, но и те образования лунной поверхности, которые находятся на краю видимого полушария, видны нам под очень острым углом, т. е. сильно искажены.

Успешное фотографирование Луны при облете ее со всех сторон, во всех направлениях и на близком расстоянии позволило построить карты Луны по типу топографических карт (рис. 217), так что уже в 1967 г. мы располагали полной картой Луны в масштабе 1 : 5 000 000, т. е. 50 км в 1 см, почти без «белых пятен» на ней, а позднее была построена карта Луны в масштабе — 1:2 500 000. Для отдельных мест Луны имеются карты в масштабе 1 : 2500.

Обратная сторона Луны обладает теми же особенностями рельефа, что и видимая сторона, за исключением двух: на ней очень мало морей, а те, что есть, — малы; на ней также нет заметных горных цепей, подобных лунным Апеннинам, Альпам и Кавказу. Зато здесь наблюдается несколько отчетливых цепочек небольших кратеров. Цепочки эти вытянулись на сотни и даже тысячи километров. Впрочем, достаточно ярко выраженные гряды гор, окаймляющие гигантские кратеры или образования типа «морей», здесь встречаются нередко (рис. 218).

Рис. 216. Фотография области на обратной стороне Луны, полученная советским АМС «Зонд 8» в 1970 г. В центре находится кратер Эйткен (Altken) (16.5° ю. ш. 173° в. д.). Диаметр его — 130 км. Нельзя не отметить великолепную четкость этого космического снимка

Выделяются несколько крупных кратеров и цирков, названных именами Ломоносова, Джордано Бруно, Циолковского, Жолио-Кюри, Королёва и других выдающихся деятелей науки. Большой кратер назван именем Ю. А. Гагарина. Кроме того, на обратной стороне Луны можно отметить несколько крупных образований кольцевого типа, подобных морям, но светлых, т. е. как будто темного (лавового) вещества не хватило для их заполнения.

(см. скан)

Рис. 217. Часть карты обратной стороны Луны с названиями кратеров, утвержденными XIV съездом Международного Астрономического Союза в 1979 г.

Они получили название талассоидов или бассейнов. Талассоиды имеют поперечники до 500 км. На видимой стороне Луны отдаленную аналогию с талассоидами представляет обширная (диаметром до 600 км) круглая впадина с центром в Море Нектара, которое, будучи темным, занимает лишь часть ее. Ранее известное лишь на самом краю Луны Море Восточное представляется нам теперь во всей своей полноте и своеобразии.

Рис. 218. Система валов гигантского цирка «Море Восточное». (Заимствован из журнала Sky and Telescope)

Само «Море» очень темное, окружено тремя концентрическими кольцами горных гряд, внешнее из которых имеет диаметр почти в тысячу километров, а внутреннее, окаймляющее темную область, в 2—24% раза меньше. В известной степени это образование тоже можно считать талассоидом, как и описанную выше область вокруг Моря Нектара. Можно рассматривать талассоиды как «несостоявшиеся» моря.

Отсутствие на Луне атмосферы способствует тому, что тени, отбрасываемые разными возвышениями на Луне, очень резки, а вблизи терминатора они еще и очень длинны, что совершенно естественно: когда зенитное расстояние z Солнца для данного места лунной поверхности приближается к 90°, длина I тени от предмета, имеющего высоту h т. е. , стремится к бесконечности и вливается в ночную сторону Луны благодаря кривизне ее поверхности. Ранее эти явления без достаточных оснований рассматривали как свидетельство чрезвычайной резкости, обрывистости лунного рельефа. На самом деле рельеф Луны достаточно полог и в большом и в малом. Средний угол крутизны кольцевого вала у цирков и кратеров с внутренней стороны составляет 25°, а с внешней — только 7°. Профиль лунного края указывает на наклоны еще меньшие: среднее квадратичное значение угла крутизны составляет всего лишь 3,3°. В данном случае речь идет о структурах размером больше 30 км. Удивительным образом структуры размером меньше 1 м имеют такую же степень неровности, как это следует из прямых фотографий Луны, полученных с аппаратом «Рейнджер-7», и из радиолокационных наблюдений Луны: посылаемые на Луну на волнах 250, 150 и 10 см короткие (2—5 мкс) импульсы расширяются при отражении очень мало. В то время как различие во времени двустороннего прохождения сигнала к центру и к краю лунного диска составляет , фактически почти вся энергия отраженного сигнала приходила в первые 0,05 мс, а к 11 мс после прихода начала отражения оставалось всего 0,01 % его энергии. Интерпретация этих результатов приводит к выводу, что в образовании отраженного сигнала в основном участвует лишь середина диска внутри круга диаметром всего 350 км. Это почти зеркальное отражение, в котором участвуют не только ровная поверхность в пределах упомянутого круга, но и неровности, соответствующим образом наклоненные к наблюдателю.

При большом сходстве лунного ландшафта с марсианским первый отличается несравненно большей резкостью форм, что, конечно, следует приписать действию атмосферы во втором случае. Да и радиолокационные наблюдения подтверждают это, — как мы видели выше, средний наклон неровностей на Марсе составляет всего 3° на дециметровых волнах.

Что касается микроструктуры лунной поверхности, то она чрезвычайно шероховата.

Такой вывод вытекал прежде всего из фотометрических наблюдений Луны, выполненных с поверхности Земли за последнее полустолетие, и он получил полное подтверждение после мягкой посадки на Луну нескольких автоматических лунных станций (АЛС) — советских «Луна» и американских «Сёрвейор», которые с помощью телевизионных камер передавали панораму Луны от самых близких к камере участков лунного грунта до линии горизонта. Этот способ изучения Луны увенчался непосредственным обследованием лунной поверхности командами космических кораблей серии «Аполлон» после их успешных высадок на Луну.

Зависимость интегрального блеска Луны от фазы (рис. 219) указывает на резкое возрастание отражательной способности лунной поверхности к моменту полнолуния, когда мы видим каждую деталь на Луне с той стороны, с которой она освещается Солнцем. Отражательная способность лунного вещества определяется именно в это время — вдали от полнолуния она резко падает. Так, уже при фазе 90°, когда видимая с Земли освещенная площадь составляет половину площади, освещенной в полнолуние, освещенность от Луны в 12 раз слабее, чем в полнолуние, а при фазе 145° (лунный «октант») — в 160 раз. Такое сильное падение можно легко понять, если поверхность Луны представлять себе как крупношероховатую поверхность, где любое возвышеньице отбрасывает резкую тень на всякое более низкое место. Такие резкие тени мы видим на Луне, когда их отбрасывают лунные горы, кратерные валы и т. д. То же проявляется и в самых мелких образованиях, которые следует представлять себе либо в форме мелкобугристых шлаковых образований, беспорядочно сцементированных, или свободно наваленных друг на друга кусков щебня. Последнее весьма правдоподобно, так как объясняет и очень низкий коэффициент теплопроводности поверхностных слоев Луны. О чрезвычайной шероховатости говорит и отсутствие потемнения к краю лунного диска в полнолуние, так что одинаковые морфологические детали на Луне, независимо от угла освещения Солнцем, выглядят одинаково яркими, в каком бы месте лунного диска они ни находились (закон Барабашова — Маркова).

Рис. 219. Кривая изменения интегрального блеска Луны с фазой. Верхняя кривая. показывает изменения в звездных величинах (числа слева), а нижняя — в интенсивностях (числа справа) относительно блеска в полнолуние, принятого за единицу

Совершившие мягкую посадку на Луну АЛС показали мелкую структуру верхнего покрова Луны — мелко раздробленные комки, пылинки (около 10 мкм), в которые немного погружены мелкие и крупные обломки и камни основных лунных пород. Вопреки прежним представлениям, они слабо связаны и отнюдь не образуют мощных слоев, состоящих из мельчайшей пыли, их средняя плотность — от 1,5 до 0,8 г/см3. Очень малый слой пыли действительно покрывает на Луне все — и мелко раздробленную поверхность и камни, но опоры «Игла» — отделяемой части корабля «Аполлон-11» — погрузились в грунт всего на 5—7 см, а подошвы обуви космонавтов — только на немного миллиметров. При попытке взять пробу грунта стальная трубка без труда углубилась на 5—7 см и лишь с большими усилиями достигла глубины 20 см, а взятые керны оказались мелкоструктурными (рис. 220). Правда, высадившаяся в другом месте Луны — в районе Океана Бурь — команда «Аполлон-12» нашла более рыхлый грунт, но и он не препятствовал передвижению космонавтов.

По своей отражательной способности различные места лунной поверхности можно сравнивать с горными породами, встречающимися на Земле: самые темные — с базальтовыми лавами, темными вулканическими пеплами и шлаками, с обсидианом и корой плавления метеоритов (см. дальше § 38), средние по светлоте — с трахитовыми лавами, вулканическими пеплами и шлаками, с темными туфами, самые светлые — с базальтами и каменными метеоритами. Граниты, глины, песчаники имеют альбедо значительно более высокое (0,22— 0,25). Правильному определению альбедо в некоторых случаях может помешать люминесценция лунных пород под действием ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца, свободно достигающего лунной поверхности. Свойством люминесцировать обладают многие земные минералы; могут им обладать и минералы лунные. Однако отдельные определения люминесценции на Луне не принадлежат к числу совершенно достоверных.

Рис. 220. Обломок мелкозернистого базальта с пузырчатыми пустотами. Подобран в Море Спокойствия экипажем «Аполлон-11»

Интегральный цвет Луны желтее солнечного. Показатель цвета Луны приблизительно на больше показателя цвета Солнца и соответствует спектральному классу G8. Цвета отдельных деталей на поверхности Луны сравнительно мало отличаются друг от друга; в основном они серовато-бурые с зеленоватым, красноватым и другими оттенками. Их показатели цвета разнятся на . Причина этого, конечно, лежит в изменчивости отражающих свойств лунных пород с изменением длины волны. Таким образом, спектрофотометрические сравнения разных участков Луны с земными горными породами при освещении их солнечным светом дают дополнительную возможность для определения горных пород на Луне. К однозначному ответу этот путь не приводит и указывает лишь на вероятность уподобления лунной поверхности той или другой земной горной породе. В частности, по цвету к лунным породам подходят вулканический пепел, крупнозернистый базальт, красный кварцевый порфир, железный кварцит, туф из Армении (рис. 221).

Облетевшие Луну АМС и посадочные АЛС внесли ясность и в этот вопрос.

Во-первых, была установлена различная радиоактивность крупных лунных форм, указывающая на то, что в морях преобладают основные породы (базальты), а на материках — ультраосновные. У первых, вероятно, повышенное содержание железа (так называемые ферробазальты). Во-вторых, собранные образцы лунных пород, доставленные на Землю, подвергались химическому, минералогическому и петрографическому анализу и дали совершенно достоверную картину лунного грунта на поверхности и до небольшой глубины (производилось бурение до глубин 2—2,3 м).

Рис. 221. Зависимость поляризации от фазы для интегрального света Луны (кривая А, цифры слева) и для вулканического пепла (кривая В, цифры справа)

Наиболее характерной особенностью лунной поверхности является упоминавшийся выше сплошной слой крупных, мелких и очень мелких обломков горных пород, погруженных в пыль, которая, однако, не связывает их. Это — лунный реголит. Его происхождение легко понять: либо следствие дробления горных пород крупными и мелкими метеоритами, падавшими на Луну в течение миллиардов и сотен миллионов лет, либо последствия выброса лунных пород при падении больших кратерообразующих метеоритов. Самого матеоритного вещества в лунном реголите немного — всего несколько процентов.

При радиолокации отражательная способность лунной поверхности постепенно растет по мере увеличения рабочей длины волны, что свидетельствует о том, что реголит быстро уплотняется с глубиной, так как радиоволны проникают тем глубже, чем больше длина волны.

Что же касается собственно лунных пород: камней, извлекаемых из реголита, или лежащих на нем, то образцы, собранные на материках и в морях Луны, при общем сходстве между собой и с изверженными породами на Земле, все же заметно отличаются друг от друга минералогически и химически. Образцы были взяты и исследованы в восьми морских и трех материковых площадках, и все они, несмотря на большое петрографическое разнообразие, могут быть причислены к оливинсодержащим базальтам. Как известно, на Земле базальты являются основными магматическими породами.

Кроме базальтов на Луне богато представлены анортозиты — те же базальты, но с большим содержанием алюмосиликатов и очень бедные окислами железа и титана, а также щелочных металлов. Из анортозитов сложены материковые породы на Луне, хотя и не всегда (например, Апеннины). Нередко базальты представлены в измененном давлением виде — габбро.

Важнейшие химические элементы присутствуют в покровных лунных породах довольно единообразно, независимо от того, где они взяты. Следующая таблица дает содержание соответствующих атомов в процентах к общему:

Заметное отличие между морями и материками проявляется лишь в большом содержании алюминия в материковых породах и в преобладании титана и железа в так называемых морских базальтах. Содержание железа на Луне значительно меньше, чем на Земле. Полностью отсутствует в горных породах Луны кристаллизационная вода, как и водород. Впрочем, из проб грунта, взятых с глубины 30 см, извлечены ничтожные количества газов , но это скорее всего — следы сравнительно недавнего столкновения Луны с кометой.

Вообще камни, собранные на Луне, носят следы эрозии (ударной?) на верхней поверхности, тогда как нижняя их поверхность, по-видимому, не изменена.

Изотопный анализ (см. § 38) образцов, взятых в разных местах Луны, определил возраст их после кристаллизации от 3,5 до 4,5 млрд лет (см. еще об этом ниже), т. е. они старее старых земных пород, но по следам, которые в них оставили космические лучи, эти образцы пребывали на глубине больше метра под поверхностью все время своего существования, за исключением последних 20—160 млн лет, так что они были вынесены на поверхность либо в результате метеорной эрозии, либо вследствие тектонических процессов.