24.7. АККРЕЦИЯ И ТЕПЛОВАЯ СТРУКТУРА ЛУНЫ

Величина скорости аккреции планеты и изменения этой скорости в течение периода образования представляют особый интерес, поскольку именно они определяли первичную тепловую структуру тела. Вторичные изменения этой структуры могут происходить вследствие радиоактивного нагрева, из-за теплопроводности и конвекции. Скорость планетезимальной аккреции определяется гравитационным поперечным сечением растущей планетезимали и плотностью частиц в окружающей среде. Этот процесс детально рассмотрен в разд. 12.9-12.11.

Аккреция Луны характеризовалась медленным ростом и фазой поздней убегающей аккреции (см. рис. 12.9.1). В течение этой фазы, когда радиус Луны уже достиг 0,8 его современного значения (рис. 12.11.1), происходил наибольший нагрев лунной

поверхности, обусловленный ударяющимися в нее планетезималями. В период убегающей аккреции скорость планетезимали при ударе достаточно высока, чтобы расплавить большую часть подвергающегося аккреции вещества. Мгновенные температуры при ударе, вероятно, превышали 1800 К.

Первоначальный тепловой профиль Луны показывает, что температура в ее недрах вначале была относительно низкой, а максимум температуры и область плавления должны были располагаться вблизи поверхности. Имеющиеся в настоящее время данные указывают на то, что температуры в глубоких недрах Луны близки к температуре плавления и, следовательно, что радиоактивный нагрев видоизменил первичную тепловую структуру.

Среднюю температуру, поддерживавшуюся на поверхности Луны на ранней стадии ее существования, предсказать труднее, поскольку скорость потери тепла за счет излучения и теплопроводности определяется многими факторами, о которых до сих пор не имеется достаточного количества экспериментальных данных. Такими факторами являются глубина проникновения и способ диссипации энергии, распределение ударяющихся планетезималей по размерам и скоростям, а также свойства образуемой при соударениях атмосферы. Общие сведения об этих параметрах, как можно надеяться, будут получены при дальнейших прямых исследованиях Луны. Информацию о некоторых необходимых параметрах обеспечивают волны, генерируемые при ударах и регистрируемые в кольцевых морях [408, 409], а также детальный анализ удара, образовавшего Море Дождей [405], и непосредственное изучение доставленных на Землю образцов лунных пород и взаимосвязей между полями на Луне.

Поскольку основной вклад в массу и энергию вносят наибольшие планетезимали, то вызываемые или тепловые эффекты имеют первостепенное значение. В период убегающей аккреции и после него каждое значительное соударение должно было приводить к проникновению заметной доли энергии на большую глубину см). В итоге, особенно при дозвуковом ударе, образовались бы зоны расплавленного вещества, окаймленные малоплотными осадками облака взрыва. Можно ожидать, что в каждом таком резервуаре магмы дифференциация создает ряд скоплений тяжелых материалов на дне и легких наверху. При каждом вновь происшедшем плавлении малоплотные продукты дифференциации переносились бы вверх к новой поверхности. Но ранее образовавшиеся тяжелые компоненты оставались бы на месте.

Если отвлечься от средней температуры (которая поддерживалась во внешнем слое зародыша во время аккреции и в зависимости от скорости аккреции могла быть выше или ниже), то суммарный эффект дифференциации будет заключаться в следующем. Тепловой фронт аккреции выносит малоплотные компоненты из внутренних

областей, создавая легкую поверхностную кору. В коре могли бы также накапливаться выделяющие тепло радиоактивные изотопы. Исходя из этого можно понять внутреннее строение, химический состав и образование коры Луны и других тел Солнечной системы (подробнее см. в гл. 12).

Максимальная величина потока энергии во время убегающей аккреции определяет максимально достижимую температуру, а также объем, в котором одновременно по всей поверхности происходило плавление. В случае, подобном Луне (в противоположность тому, что имеет место для Земли), этот параметр чувствителен к выбранной продолжительности поступления вещества в лунный струйный поток поскольку здесь величины одного порядка. По изложенным выше причинам пока еще невозможно установить количественную связь между потоком энергии и температурой поверхности; следовательно, установление этой связи зависит от проведения непосредственных наблюдений. Наиболее существенная информация, имеющаяся в настоящее время, поступает из анализа распределения изотопов рубидия и стронция в лунных породах [332]. Результаты позволяют предполагать, что на заключительной стадии аккреции плавление во внешнем слое было достаточно обширным, чтобы из отдельных областей полностью выделились Но резервуары с расплавом не находятся в равновесии друг с другом.

В некоторых важных отношениях особенности дифференциации на Луне отличаются от тех, с которыми мы имеем дело в случае Земли. В силу этого было высказано предположение [41, 38, 172], что состав лунной поверхности мог быть, обусловлен дифференциацией, происходившей до аккреции. Подобные предположения были сделаны и для объяснения слоистости Земли [32, 152, 399]. В принципе они могут быть обоснованы в свете частичного перекрытия облаков (разд. 24.8). Однако неизбежный в процессе аккреции нагрев, по-видимому, сам по себеможет удовлетворительно объяснить известные на сегодня факты, включая потери Луной калия и других летучих.

В качестве аргумента в пользу дифференциации до аккреции Гаст [172, 173] высказал мысль о том, что летучие элементы типа калия не могли быть удалены из вещества Луны настолько эффективно, как это наблюдается. Причиной была бы слишком медленная диффузия, препятствовавшая потерям на испарение всюду, кроме самого поверхностного слоя заполненных магмой резервуаров на Луне. Однако в случае нагрева при аккреции удары планетезималей могли бы вызвать вынужденную конвекцию и высвобождение газа внутри расплава. Ударяющиеся тела могли служить одним из источников такого ускользающего газа. Кроме того, из-за низкой летучести кислорода на Луне силикаты магния при температурах 1400—1700 К с достаточной скоростью диссоциируют

на газы приводя к обширному вспениванию, наблюдаемому в лунной лаве [48]. Следовательно, конвекция и просачивание газа вносили бы вклад в эффективный перенос летучих из расплава в недолго существовавшую атмосферу Луны. Такая атмосфера должна была быстро ионизоваться и рассеяться, как это видно по быстрой ионизации облаков, образовавшихся при искусственном ударе о лунную поверхость, и по выделениям газа [167].

Таким образом, представляется, что разделение и потеря летучих, характерные для Луны (и в меньшей степени для Земли), являются прямым следствием прохождения теплового фронта аккреции, приводящего к дифференциации внешнего слоя Луны толщиной и внешнего ядра и всей мантии Земли.