Катастрофы в ранней истории системы Земля — Луна

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Сейчас многие ученые считают, что впадины лунных морей и некоторых кратеров — следы ударов о поверхность Луны некогда существовавших спутников Земли. Эти многочисленные спутники сталкивались с Луной, когда та под действием приливного трения постепенно отодвигалась от Земли. О том, как происходило столкновение Луны со спутниками и какие лунные катастрофы связаны с этим, рассказано в статье американских ученых Н. Барричелли и Р. Меткафа, опубликованной в журнале «Icarus».

Могли ли удары крупных тел вызвать расплавление вещества Луны или же лава, заполнившая моря, имеет эндогенное происхождение? Чтобы ответить на этот вопрос, Барричелли и Меткаф рассчитали максимальную температуру внутри кратера, образованного в результате удара тела о лунную поверхность. Эта температура зависит от кинетической энергии падающего тела, т. е. его скорости, а также от температуры той области Луны, куда тело упало. По оценкам Барричелли и Меткафа, скорость столкновения Луны с догоняемыми ею спутниками Земли не превышала 2—2,5 км/сек. Если спутник, имеющий температуру 0° С, падает со скоростью 2,4 км/сек на поверхность Луны, причем в месте падения температура поверхности тоже составляет 0° С, то центральная область возникшего кратера разогревается не более чем на 400—500° С.

Если же температура верхних слоев лунной поверхности 500° С, то максимальная температура в кратере должна быть 800—900° С. Разогреться до температуры плавления силикатных пород (1250° С) центральные области кратера могут лишь в том случае, если к моменту удара температура лунного вещества достигает 1000° С, а поперечник кратера — не менее 50 км. Таким образом, в больших кратерах и морях лава появится в результате ударов только тогда, когда оболочка Луны уже близка к расплавлению, т. е. лава должна иметь эндогенное происхождение.

На Луне есть моря, которые были затоплены лавой сразу после удара тела, образовавшего впадину моря, а есть и такие, где излияние лавы, по мнению некоторых ученых, произошло гораздо позднее. К первым относится Море Дождей, а ко вторым, как считает известный американский исследователь планет Д. Койпер,— Море Кризисов и Море Ясности. Из внутреннего бассейна Моря Дождей произошло самое большое на Луне излияние лавы, затопившей не только впадину моря, но и Океан Бурь, и другие участки лунной поверхности.

А может ли образоваться лава при ударе тел, прилетающих к Луне, например, из пояса астероидов? Такие тела падают на лунную поверхность со скоростью более 10 км/сек, т. е. их кинетическая энергия очень велика.. Согласно расчетам Барричелли и Меткафа, уже при скорости падения тела 6 км/сек температура в образующемся кратере достигает 2200° С. При такой температуре силикаты испаряются. Удары астероидов должны вызывать в основном не плавление лунного вещества, а испарение и взрывы, при этом значительная часть вещества должна выбрасываться в пространство или далеко за наружные валы кратеров. При столкновениях астероидов с Луной образовались, по-видимому, кратеры Тихо, Коперник, Кеплер и Аристарх.

Все лунные моря, происхождение которых связывают с ударами спутников Земли, расположены в экваториальном поясе между 30° ю. ш. и 50° с. ш. Это, по мнению Барричелли и Меткафа, свидетельствует о том, что орбиты спутников лежали почти в одной плоскости с орбитой Луны и ее экватором. Предполагается, что последними большими морями, возникшими на обращенной к Земле стороне Луны, были Море Кризисов (диаметр упавшего спутника 150 км), Море Ясности (210 км) и Море Дождей (345 км). Крупнейший спутник, образовавший Море Дождей, вероятно, разрушился, еще не достигнув лунной поверхности: приливные силы Луны «разорвали» спутник, когда он пролетал внутри предела Роша. Некоторые обломки спутника, упавшие на лунную поверхность, образовали Залив Радуги, кратеры Архимед и Платон и, быть может, отдельные кратеры вдали от внешнего вала Моря Дождей.

Барричелли и Меткаф оценили вероятность встречи Луны с небольшим периферическим спутником Земли, который обращается по орбите медленно увеличивающегося радиуса. Введя некоторые упрощения, ученые рассчитали, что возмущающее действие Луны на спутник мало, пока радиус лунной орбиты (орбита Луны предполагалась круговой) остается меньше половины большой полуоси орбиты спутника. В противном случае, возмущения Луны изменят эксцентриситет орбиты спутника и станут возможными сближения спутника с Луной. Результаты сближения могут быть различными: либо спутник перейдет с внешней по отношению к Луне орбиты на внутреннюю (или наоборот), либо спутник будет выброшен из сферы влияния Земли, либо спутник столкнется с Луной или с Землей. Для спутника Земли, движущегося случайным образом в гравитационном поле системы Земля—Луна, столкновение с Луной маловероятно. Но для спутника, находящегося на внешней по отношению к Луне орбите, плоскость которой близка к плоскости лунной орбиты, возможность столкновения с Луной значительно увеличивается.

При этом, преобладающее число столкновений спутников с Луной приходится на обратную сторону Луны. Спутники с малым наклоном орбит падают преимущественно в экваториальном поясе Луны, поэтому наиболее вероятно образование крупнейших «ударных» морей на обратной стороне Луны. Но на видимой стороне их сейчас больше. Почему?

Барричелли и Меткаф попытались дать ответ и на этот вопрос. Предположим, что в эпоху образования морей вращение Луны было уже заторможенным приливными силами до «связанного» состояния, когда периоды вращения вокруг оси и обращения по орбите совпадают. Удар крупного спутника, который породил Море Дождей, должен был вывести Луну из состояния «связанного» вращения, сообщив ей дополнительный момент. Если удар был сильно наклонным (что весьма вероятно), то Луна могла начать вращаться вокруг оси с периодом 21 сутки. Период вращения уже не равнялся периоду обращения, хотя последний мог быть значительно короче современного месяца, так как Луна в то время находилась ближе к Земле. К Земле должны были поворачиваться оба полушария Луны, пока действие приливных сил вновь не заставило ее превратить вращение в «связанное». Особенности динамической фигуры Луны могли привести к тому, что к Земле навсегда повернулось полушарие, бывшее когда-то «обратной» стороной Луны.

Автор: Е. Л. Рускол, кандидат физико-математических наук.