Происхождение Луны и будущее Земли

Геолого-геофизические исследования Луны дали в руки ученых новые важные аргументы, без которых гипотезы ее происхождения носили подчас умозрительный характер и их успех зависел в значительной степени от заражающего энтузиазма авторов.

Физические свойства недр свидетельствуют о высокой начальной температуре Луны и ее ранней дифференциации с выделением легкой коры, а также о существовании и по сию пору центральной зоны, по крайней мере, частично расплавленного вещества.

387 килограммов лунных образцов доставлены на Землю из девяти точек видимой стороны, находящихся на больших расстояниях одна от другой. По-видимому, по составу пород Луна однороднее Земли, так что привезенные образцы представительны для ее характеристики в целом, хотя совсем не исследованными остались высокоширотные районы и обратная сторона Луны.

Каждый из лунных камней драгоценнее бриллианта Коллинза. Все они исследуются в земных лабораториях самым тщательным образом. Ни один земной образец не удостаивался столь пристального внимания.

Изученные образцы показали, что породы Селены, хотя и разные на ее морях и континентах, в общем напоминают земные. Там нет ни одного элемента, выходящего за рамки таблицы Менделеева, и найдено всего четыре новых минерала.

Обстоятельство первостепенной важности для понимания «космической увертюры» Луны — обеднение лунных базальтов легкоплавкими компонентами (цинк, индий, таллий), а также летучими (вода, щелочи и др.). Их на Луне в 100—1000 раз меньше, чем на Земле. Отсутствие в лунных породах воды, минералов и окисной формы железа позволяет предположить, что в период их кристаллизации активность кислорода в расплаве была очень низкой. И наоборот, присутствие самородного железа и меди, возможно, вызвано восстанавливающим эффектом протонов «солнечного ветра».

Обеднение летучими сопровождается обогащением лунных пород тугоплавкими элементами, такими, как уран, торий, барий, цирконий, ниобий и другие. По-видимому, дефицит летучих в значительной мере имел место в исходном материале, из которого компоновалось тело Луны.

Все изученные образцы лунных пород представляют выплавки и дифференциалы некоего первичного вещества. Само оно в явном виде пока не найдено. Породы Луны не так разнообразны, как земные, это означает, что процесс дифференциации исходной магмы имел здесь малую интенсивность, да это и естественно, если учесть низкое содержание в расплаве летучих компонентов.

Все это не благоприятствовало образованию на Луне месторождений полезных ископаемых. Самый распространенный на Луне, впрочем, как и на Земле, окисел — кремнезем.

Луна имеет резкий дефицит планетарного содержания железа: на Земле его более трети массы, на Луне — менее 1/6 . Уже простое сравнение средних плотностей планет свидетельствует о глобальном отличии их химического состава. И сейсмические исследования обнаружили лишь совсем небольшое, да и то пока проблематичное, железное ядро.

Возраст лунных образцов определен по радиоактивным часам. Горы Апеннины «подарили» землянам самый древний кусок анортозита более 4,0 миллиарда лет, видевший «младенческий возраст» планет Солнечной системы (напомним, что самый старый камень Земли до последнего времени имел возраст 3,5 миллиарда лет и лишь недавно в гранитах Гренландии и чарнокитах Антарктиды нашли более древний — 3,8 миллиарда лет). А частички реголита имеют абсолютный возраст 4,6 миллиарда лет, равный возрасту метеоритного материала, из которого скомпоновались планеты Солнечной системы. Возраст реголита определили, подсчитывая число треков пробега частиц при ядерной реакции фрагментации, когда поверхность «обдувалась» солнечным ветром.

Очень существенно, что на Луне не было встречено пород моложе 3 миллиардов лет. Это значит, что так давно там прекратилась активная тектоническая, магматическая и вулканическая деятельность. А в том, что Луна была активной и горячей, ученые не сомневаются. Об этом говорят непосредственно наблюдаемые астронавтами застывшие потоки лавы, прорывавшие стенки кратеров. По-видимому, многие крупные кратеры диаметром более нескольких километров имеют вулканическое происхождение.

Любопытно, что в определениях возрастов имеется пробел между 4,0 и 4,5 миллиарда лет. Возможно, это итог космических катастроф — падений крупнейших метеоритов на Луну. Самая крупная из них — ударное образование Моря Дождей — произошла, судя по возрасту бренкчий, долетевших до Фра-Мауро, 3,85—3,95 миллиарда лет назад. Все другие крупные моря, кроме Моря Восточного, по морфологическим признакам образовались раньше. Краткая и интенсивная бомбардировка, ударный метаморфизм и разброс обломков на огромные территории изменили характер размещения радиогенных изотопов. «Радиоактивные часы» на Луне часто показывают не то время, не от эпохи аккумуляции Луны или излияния на поверхность континентальной коры, а от момента крупных катаклизмов, которые пришлись на рубеж 3,9— 4,0 миллиарда лет.

Именно так получилось при определении возраста образца № 69415 из района Фра-Мауро.

Происхождение Луны

Новые факты, в том числе самые, фундаментальные, касающиеся различия химического состава Земли и Луны, существования в Луне внутренней расплавленной зоны и прочего, представляются многим ученым далеко не бесспорными и не всегда статистически обоснованными.

В связи с этим имеет место довольно типичная для науки ситуация, когда на определенном этапе ее развития добавление некоторого количества (явно недостаточного) новых данных только усложняет и запутывает картину. Гиперболизируя ситуацию, можно сказать: чем дольше изучается Луна, тем меньше о ней известно.

По отношению к разбираемому вопросу известная сложность возникла, в частности, в связи с противоречием некоторых аргументов небесной механики и новых геохимических и геофизических наблюдений.

Так или иначе, в конце космического этапа исследования Луны, так же как и задолго до его начала, бытуют многие точки зрения и гипотезы. Они объединяются грубо в те же три группы: отрыв Луны от Земли, захват ее с другой орбиты и образование на околоземной орбите. Однако гипотезы подстраиваются под новые факты, в частности рождаются гибридные варианты.

Наиболее заслуженная (по времени), но и наименее теперь популярная — гипотеза отрыва. Ее высказал в конце XIX века Дж. Дарвин. Он исходил из ориентировочного анализа приливной эволюции лунной орбиты, согласно которому Луна была много ближе к Земле. Предполагалось, что собственные колебания Земли, войдя в резонанс с солнечными приливами, привели к неограниченному росту приливного выступа вплоть до отрыва. Позже предпринимались попытки обосновать эту гипотезу расчетами из механики жидких сред: вследствие ротационной неустойчивости могло происходить истечение вещества с экватора в тонкий диск или отрыв грушевидного выступа. Однако вскоре были найдены ошибки в расчетах, а также стало ясно, что дела планет далеки от гидростатически равновесной формы.

Гипотезам отрыва противоречила величина вращательного момента системы Земля—Луна и несовпадение лунной орбиты с земным экватором.

Небезынтересно, что в качестве одного из источников энергии отрыва предполагался мгновенный фазовый переход силикатного вещества ядра в металлическое состояние, при котором могла выделиться гигантская энергия 10³⁸ эрг. Однако аргументы сторонников «металлизированного ядра» даже для Земли далеко не бесспорны, на Луне же давление в недрах слишком мало для фазового перехода.

Несмотря на то, что изучение приливной эволюции Луны и формулы механики вращающихся масс почти «похоронили» гипотезу отрыва, она «воскресла», как только выяснилось, что средняя плотность Луны близка к плотностям пород верхней мантии Земли. Однако тщательное изучение в лунных образцах содержания летучих элементов, сопутствующих железу (кобальт, никель, платина, иридий, осмий и другие), указывает на слишком существенное отличие химического состава планет. Что же, гипотеза отрыва окончательно отвергнута и ее место лишь в фолиантах историков науки?

Отнюдь — продолжаются попытки возродить ее в новой форме, например в такой: первоначальная жидкость из-за ротационной неустойчивости разделилась на планеты Землю и… Марс (?), а перешеек между ними стал Луной…

Странность спутниковых качеств Луны и в особенности новые данные об отличиях ее химического состава от Земли побудили ряд астрономов и физиков считать Луну пришельцем из Солнечной системы.

Полагают, что уже готовая планета с сильно вытянутой орбиты, например из района Меркурия, приблизилась к Земле и была захвачена ее полем тяготения. Однако, если отвлечься от совсем уж экзотических гипотез (сверхизвержение лунного вулкана, давшее реактивный толчок Луне в гравитационные «объятия» Земли), то в качестве причин такого захвата выдвигается приливное изменение орбиты и столкновение луноподобных тел. При этом запреты небесной механики подчас игнорируются в угоду новым доводам космохимии.

Все же большинство исследователей полагает, что захват Луны Землей целиком, в готовом виде, крайне маловероятен.

Признаются смешанные варианты, например приближение к Земле некоего космического объекта, разрушение его приливными силами Земли, постепенное отодвигание осколков и их повторная аккумуляция в Луну.

В этом случае предусматривается процесс образования Луны на околоземной орбите. Похоже, что гипотезы этой, третьей группы наиболее способны не погрешить против законов небесной механики и одновременно объяснить геолого-географические факты.

Образование спутника представляется составной частью процесса превращения околосолнечного газопылевого облака в систему планет. Однако у разных авторов нет единства по вопросу о времени роста самой Земли (от 100 000 до 100 000 000 лет), времени аккумуляции Луны (от 100 до 10 000 лет), начальном удалении «новорожденной» от Земли (от 5—8 до 30 радиусов Земли).

Обсуждаются варианты поэтапной конденсации элементов в тело планеты и спутника из первоначально горячего (2000° К) газового околосолнечного облака.

Вариант, опирающийся лишь на химические данные и не рассматривающий правила механики, предложил Рингвуд. Он предусматривает одностадийную аккумуляцию Земли с одновременным выделением железного ядра. Земля при этом образуется «изнутри наружу». Сперва внутри находилось первичное метеоритное вещество, снаружи — мощная атмосфера из окиси углерода, водорода и испарившихся силикатов. Эта атмосфера создала парниковый эффект, благодаря чему произошло химическое восстановление металлов из окислов и они в силу своей тяжести провалились в ядро. Луна образовалась при последующей конденсации мощной атмосферы Земли.

По-видимому, наименее противоречивой оказывается модель, разработанная в Институте физики Земли сперва его директором академиком О. Ю. Шмидтом, а затем развитая его учениками и последователями (В. С. Сафроновым, Е. Л. Рускол и другими). Согласно этой гипотезе, Земля сформировалась за 100 миллионов лет путем аккреции, слипания из газопылевых частиц протопланетного околосолнечного облака. Вначале она была однородной и относительно холодной.

К моменту формирования 3/5 — 2/3 массы Земли вокруг нее образовался спутниковый рой. Специфика неупругих соударений частиц на скоростях несколько километров в секунду приводила к росту железных и железоокисных и к дроблению кремнистых частиц. Именно поэтому Земля оказалась относительно обогащенной железом по сравнению с Луной, которая сформировалась несколько позже из частиц околоземного спутникового роя. Более мелкие частицы этого роя дольше подвергались экспозиции в космических лучах, протоны с высокими энергиями «выдули» и унесли прочь легкоплавкие и летучие компоненты, обеспечив преобладание в материнском лунном веществе тугоплавких элементов.

Так еще до формирования Луны «космическим сценарием» были заложены особенности ее химического состава.

А дальше? Дальше околоземной рой эволюционировал в соответствии с законами небесной механики. Частицы роя вращались, непрерывно сталкиваясь, слипаясь и дробясь, и те из них, чьи размеры превысили 1000 км, могли уцелеть и в дальнейшем стать зародышем Луны. Похоже, что таких зародышей, «протолун», было несколько, два или три. В ходе приливного взаимодействия они сблизились и в «один прекрасный день творения Луны столкнулись. Энергия ударного слипания и обеспечила высокую начальную температуру Луны, вытекающую из реконструкции ее тепловой истории. Существование небольшого числа исходных праглыб естественно объясняет и горизонтальную неоднородность Луны, подмеченную сейсмическими волнами и гравиметрами.

Прослеживание во времени вспять приливной истории Луны говорит о том, что при своем рождении Луна была ближе к Земле (где-то в интервале 10^—30 земных радиусов), а эксцентриситет ее орбиты и наклон к экватору были меньше.

Точка зрения, развиваемая в ИФЗ возможно, лучшая, но, конечно, не окончательная. Здесь тоже свои сложности: экспериментально не изучены эффекты соударения частиц окислов в нужном диапазоне скоростей, непонятно, как удалось Луне сохранить тепло при столь долгой (108 лет) аккреции и т. д.

«Скульпторы» лунного лика

Около 4,6 миллиарда лет назад в окрестностях молодого Солнца закончились многозначительные, до конца не распутанные события — рождения планет и их спутников.

Закат Солнца на Луне тогда не был таким величаво-спокойным, как сейчас. Светило погружалось в пылающее, плещущее море расплавленных горных пород. Град метеоритов сыпался в него, приводя к перемешиванию, дегазации, закалке и переплавлению материнского вещества Луны. В расплавленной оболочке в планетарном масштабе совершалось фракционное разделение фаз — формировались кора и верхняя мантия Луны. При этом радиоактивные элементы концентрировались в коре, обусловливая аномально высокий поток тепла, подмеченный термозондами. Породы коры обогащались кальцием и алюминием (анортитовый плагиоклаз), в верхней мантии преобладали окислы железа и магния (пироксен и оливин).

Период магматической «бурной молодости» Луны длился не более 1,5 миллиарда лет. В это время извергались на Луне вулканы под стать Санторино, возможно, похоронившему Атлантиду, и совершались катастрофические планетотрясения, — только не было сейсмометров, чтобы их зафиксировать.

Внешняя расплавленная оболочка Луны, остывая снаружи, затвердевала. Скорость роста толщи литосферы составляла около 200 километров в 1 миллиард лет. По-видимому, в конце первого миллиарда лет жизни Луны возникло центральное расплавленное ядро. Весьма возможно, что в нем действовал саморегулирующийся механизм «Электромагнитного динамо». Свидетельство его былого величия — высокая остаточная намагниченность лунных пород. Его жидкие «останки» заметили сейсмические волны из эпицентров с обратной стороны.

По мере остывания внешней корки Луны и продолжения ее бомбардировки метеоритами 4,4 — 4,1 миллиарда лет назад образовывался типичный лунный кратерный рельеф, ее бледный лик покрылся «оспинами» диаметром до 50—100 км. Кора теперь состояла из ударно-распыленного, переплавленного и перекристаллизованного плагиоклаза. Трещины в ней от ударов метеоритов протягивались до 15—25-километровой глубины, а мегареголит имел гигантскую мощность до 10 км.

По мере вычерпывания космического «сора» из околоземного спутникового роя частота падений обломков на Луну уменьшилась. Но именно напоследок, 4,1—3,9 миллиарда лет назад, произошли катаклизмы, оставившие неизгладимый след на поверхности в виде Больших Бассейнов, впоследствии заполненных темными базальтами. Причем более древние бассейны, как Море Спокойствия, имеют неправильную форму, неглубокое днище и не содержат концентрации или дефицита масс. А относительно молодые бассейны, такие как Море Ясности, — крупные, глубокие, масконовые. Похоже, что на рубеже между ними, 4 миллиарда лет назад, что-то переменилось в механических свойствах коры, быть может, завершились подъем и кристаллизация расплавов оболочки.

Последняя глава активной эндогенной жизни Луны — затопление Больших Бассейнов видимой стороны ныне замерзшими морями темных базальтов. Базальты поднимались из недр, где распад радиоактивных элементов обеспечил необходимую для их расплава температуру. Излияния носили скорее всего пульсационный характер. Вариации в составе и температуре разных районов Луны привели к тому, что период заполнения морских бассейнов затянулся от 3,8 до 3,0 миллиарда лет.

На рубеже 3 миллиардов лет на Луне воцарилось относительное спокойствие. Столь древний образ космического мира подарила Луна умным автоматам и космическим экспедициям.

Есть ли на Луне тектоника плит?

Сегодняшняя Луна пребывает в тектоническом сне. Сейчас крайне редки лунотрясения тектонической природы. Глубинные истоки тектонических движений ученые видят в разных процессах: плотностной дифференциации вещества мантии, фазовых превращениях минералов, «растекании» коры под весом ее мощностных неоднородностей.

В любом варианте признается, что движение вещества в недрах; конвективные потоки — источник геотектоники. Планета «жива», пока хватает вещества перемешиваться и достаточно высоки его температуры.

Существует ли подобная конвекция в Луне? Вопрос решается, исходя из геофизических данных. Непрохождение поперечных сейсмических волн глубже половины радиуса означает, что центральная область Луны, по крайней мере, частично расплавлена. Однако тепловой поток через поверхность столь высок, что будь он даже на 10 процентов обусловлен остыванием ядра, оно бы затвердело и остыло за первый миллиард лет. Совместить эти данные с предположением о существовании твердой конвекции в мантии Луны можно, если вязкость мантии превышает 10²² пуаз. Независимые наблюдения подтверждают высокую вязкость Луны. Во-первых, ее литосфера имеет очень большую сейсмическую добротность (порядка 5000—10000), волны распространяются в ней почти не затухая. Во-вторых, лунная литосфера удерживает масконы, приуроченные к круглым морям и содержащие избыток массы, составляющий 10^-4 — 10^-5 массы Луны.

Сопоставляя данные о температурном глубинном профиле Луны с температурой плавления пород, можно получить радиальное распределение вязкости в Луне. В верхней 200—300-километровой оболочке Луны коэффициент вязкости (10²⁶—10²⁷ пуаз) в сотни раз выше, чем на соответствующих глубинах Земли, даже если брать наиболее жесткие регионы кристаллических щитов. От поверхности к центру Луны вязкость падает, глубже 500 км, в зоне гипоцентров лунотрясений, она уменьшается в 100—1000 раз. В центральной частично расплавленной области Луны вязкость, по-видимому, падает до значений, свойственных и астеносфере Земли: 10²⁰ — 10²¹ пуаз.

Можно представить себе трехслойную конвективную модель Луны. В центральной частично или полностью расплавленной области происходит интенсивная конвекция. В лежащей выше части мантии конвекция протекает в твердой фазе. Наконец, внешний пояс Луны — жесткий и холодный, перенос тепла из нагретой центральной части происходит по механизму теплопроводности.

Реконструкция тепловой истории Луны свидетельствует о ее высокой начальной температуре и ранней дифференциации. До двух миллиардов лет конвективные ячейки охватывали в основном внешние зоны Луны, затем, по мере затвердевания и остывания литосферы, они начали отступать на глубину, и число ячеек уменьшилось. Сейчас в центральной зоне Луны глубже 800— 900 километров есть условия для существования конвекции, однако скорость потока вещества — 0,1 сантиметра в год — на порядок меньше, чем на Земле.

В целом сегодняшняя Луна близка к состоянию теплового равновесия: излучение тепла через поверхность соответствует или слегка превосходит его генерацию в недрах. Менее одной миллиардной части ее тепловыделений превращается в сейсмическую энергию — остальное «улетучивается» в космос бесполезно для селенотектоники. Тектоническая жизнь Луны парализуется мощной, жесткой, холодной литосферой. В ее разогретой астеносфере могут существовать конвективные потоки вещества, но они слабы и недостаточны, чтобы расколоть или передвинуть литосферу Луны, и лишь в состоянии вызвать слабые потрескивания на контакте с литосферой.

Луна – о будущем Земли

Луну недаром нарекли «космической сестрой» Земли. Ее рождение — процесс, логически завершающий аккрецию самой Земли из околосолнечного протопланетного облака. Когда Земля в основном скомпоновалась, из околоземного спутникового роя возникла ее «сестра», по рождению «младшая».

Нет оснований думать, что «младенческая пора» обеих планет протекала по-разному. Дыхание раскаленных недр и метеоритные «ливни» могли поспорить по силе своего воздействия на тело и лик планет. Катаклизмы догеологической и доселенологической истории не раз путали и останавливали «радиоактивные часы». Ни на Земле, ни на Луне не найдены следы первого полумиллиарда лет их существования.

Однако последующие судьбы «сестер» сложились по-разному. Земля жила и продолжает жить «содержательной жизнью», полной внутренних событий и потрясений: землетрясений, извержений вулканов, воздымания гор, движения континентов. На ней образовались атмосфера и гидросфера, возникла и совершенствовалась растительная и животная жизнь. Течение проводящего вещества в недрах создало магнитный скафандр, сохраняющий все живое от смертоносного дыхания космоса.

У Луны все иначе, внутренних сил ее ввиду малой массы и более низкой температуры недр хватило ненадолго. Нет на Луне магнитосферы, атмосферы, гидросферы, не было и не будет жизни. Не горные кряжи и не новые виды организмов расставили вехи на космическом пути Луны, а внешние события — удары метеоритов, создавшие структуру поверхности планетарного масштаба.

И все же было в эволюции планет нечто важное общее, что позволяет через совсем еще мало изученную Луну взглянуть на будущее Земли.

Это общее — формирование оболочек планет, хотя у Луны процесс этот был более вялым и кратким. Из того факта, что, согласно гипотезе О. Ю. Шмидта, Земля образовалась из холодного протопланетного облака (правда, есть и другие точки зрения: конденсация из горячего облака, выделение ядра в процессе аккреции) и сперва была однородна, а теперь предстает перед учеными расслоенной на оболочки, следует, что миллиарды лет в ней действует мощнейший механизм, способный двигать горы отнюдь не в переносном смысле. По большому счету это — механизм регулирования термического состояния планеты, которым Земля «спасает сама себя от перегрева».

На Луне процесс расслаивания закончился 3 миллиарда лет назад. Ее меньшая планетарная масса и низкая температура недр привели к преждевременной «старости». «Младшая» по рождению, Луна оказалась «старшей» сестрой Земли по развитию. Такой важный тектонический механизм, как движение вещества в ходе полиморфных превращений, который вносит заметный вклад в геотектонику, для селенотектоники вообще не существует из-за малых давлений в ее недрах.

На Луне тоже происходила плотностная дифференциация вещества, кристаллизация коры из расплава, катастрофические лунотрясения и извержения вулканов, но все это — в далеком прошлом. Старенькая, холодная и пассивная Луна предрекает будущее Земле. Когда-нибудь и на Земле перестанут меняться очертания материков, затихнут вулканы, прекратятся землетрясения. Гигантская атмосфера своим давлением выровняет живописный рельеф нашей неповторимой планеты. Но будет это не скоро. И, надо думать, наука к тому времени откроет необходимые людям источники энергии для передвижения и устройства жизни в нужных местах и желательным образом.

Взгляд на Землю сквозь испещренное кратерами, запыленное «лунное окно» позволяет лучше понять догеологический этап развития Земли и грядущие перспективы. Луна в космосе, как древний текст, который может быть связан с историей Земли через интерпретацию нашего разума, и как современный архив нашего Солнца, хранящий в реголите записи, имеющие прямое отношение к будущему людей. Единственное средство для нас прочесть этот текст и использовать этот архив — изучить то, чем мы уже обладаем, и, что более важно, продолжить путь, по которому мы пошли.

Автор: И. Галкин, кандидат физико-математических наук.