Походження Місяця та майбутнє Землі

Геолого-геофізичні дослідження Місяця дали в руки вчених нові важливі аргументи, без яких гіпотези його походження носили часом умоглядний характер та їх успіх залежав в значній мірі від ентузіазму авторів.

Фізичні властивості надр свідчать про високу початкову температуру Місяця та його ранньої диференціації з виділенням легкої кори, а також про існування і по цю пору центральної зони, принаймні, частково розплавленої речовини.

387 кілограмів місячних зразків доставлені на Землю з дев’яти точок видимої сторони, що знаходяться на великих відстанях одна від одної. Мабуть, за складом порід Місяць однорідніше Землі, так що привезені зразки представницькі для його характеристики в цілому, хоча зовсім не дослідженими залишилися високоширотні райони і зворотна сторона Місяця.

Кожен з місячних каменів дорогоцінніше діаманта Коллінза. Всі вони досліджуються в земних лабораторіях найретельнішим чином. Жоден земний зразок не удостоювався такої пильної уваги.

Вивчені зразки показали, що породи Селени, хоча і різні на її морях і континентах, загалом нагадують земні. Там немає жодного елемента, що виходить за рамки таблиці Менделєєва, і знайдено всього чотири нових мінерали.

Обставина першорядної важливості для розуміння «космічної увертюри» Місяця — збіднення місячних базальтів легкоплавкими компонентами (цинк, індій, талій), а також летючими (вода, луги та ін.). Їх на Місяці в 100-1000 разів менше, ніж на Землі. Відсутність в місячних породах води, мінералів і окисної форми заліза дозволяє припустити, що в період їх кристалізації активність кисню в розплаві була дуже низькою. І навпаки, присутність самородного заліза і міді, можливо, викликана відновлюючим ефектом протонів «сонячного вітру».

Збіднення летючими супроводжується збагаченням місячних порід тугоплавкими елементами, такими, як уран, торій, барій, цирконій, ніобій та інші. Мабуть, дефіцит летючих значною мірою мав місце у вихідному матеріалі, з якого компонувалося тіло Місяця.

Всі вивчені зразки місячних порід представляють виплавки і диференціали якоїсь первинної речовини. Саме вона в явному вигляді поки не знайдена. Породи місяця не так різноманітні, як земні, це означає, що процес диференціації вихідної магми мав тут малу інтенсивність, та це й природно, якщо врахувати низький вміст в розплаві летючих компонентів.

Все це не сприяло утворенню на Місяці родовищ корисних копалин. Найпоширеніший на Місяці, втім, як і на Землі, окисел — кремнезем.

Місяць має різкий дефіцит планетарного вмісту заліза: на Землі його більше третини маси, на Місяці — менше 1/6 . Вже просте порівняння середніх густин планет свідчить про глобальну відмінність їх хімічного складу. І сейсмічні дослідження виявили лише зовсім невелике, та й то поки проблематичне, залізне ядро.

Вік місячних зразків визначено за радіоактивним годинником. Гори Апенніни «подарували» землянам найдавніший шматок анортозиту більше 4,0 мільярда років, що бачив «дитячий вік» планет Сонячної системи (нагадаємо, що найстаріший камінь Землі до останнього часу мав вік 3,5 мільярда років і лише недавно в гранітах Гренландії і чарнокітах Антарктиди знайшли більш древній — 3,8 мільярда років). А частинки реголіту мають абсолютний вік 4,6 мільярда років, рівний віку метеоритного матеріалу, з якого скомпонувалися планети Сонячної системи. Вік реголіту визначили, підраховуючи число треків пробігу частинок при ядерній реакції фрагментації, коли поверхня «обдувалася» сонячним вітром.

Дуже істотно, що на Місяці не було зустрінуто порід молодше 3 мільярдів років. Це означає, що так давно там припинилася активна тектонічна, магматична і вулканічна діяльність. А в тому, що Місяць був активним і гарячим, вчені не сумніваються. Про це говорять безпосередньо спостережувані астронавтами застиглі потоки лави, що проривали стінки кратерів. Мабуть, багато великих кратерів діаметром більше декількох кілометрів мають вулканічне походження.

Цікаво, що у визначеннях віку є прогалина між 4,0 і 4,5 мільярда років. Можливо, це підсумок космічних катастроф – падінь найбільших метеоритів на Місяць. Найбільша з них — ударне утворення Моря Дощів – сталася, судячи з віку бренкчі, що долетіли до Фра—Мауро, 3,85-3,95 мільярда років тому. Всі інші великі моря, крім Моря Східного, за морфологічними ознаками утворилися раніше. Коротке і інтенсивне бомбардування, ударний метаморфізм і розкид уламків на величезні території змінили характер розміщення радіогенних ізотопів. «Радіоактивний годинник» на Місяці часто показує не той час, не від епохи акумуляції Місяця або виливу на поверхню континентальної кори, а від моменту великих катаклізмів, які припали на рубіж 3,9— 4,0 мільярда років.

Саме так вийшло при визначенні віку зразка № 69415 з району Фра-Мауро.

Походження Місяця

Нові факти, в тому числі самі фундаментальні, що стосуються відмінності хімічного складу Землі і Місяця, існування в Місяці внутрішньої розплавленої зони та іншого, представляються багатьом вченим далеко не безперечними і не завжди статистично обгрунтованими.

У зв’язку з цим має місце досить типова для науки ситуація, коли на певному етапі її розвитку додавання деякої кількості (явно недостатньої) нових даних тільки ускладнює і заплутує картину. Гіперболізуючи ситуацію, можна сказати: чим довше вивчається Місяць, тим менше про нього відомо.

По відношенню до цього питання відома складність виникла, зокрема, у зв’язку з протиріччям деяких аргументів небесної механіки і нових геохімічних і геофізичних спостережень.

Так чи інакше, в кінці космічного етапу дослідження Місяця, так само як і задовго до його початку, побутують багато точок зору і гіпотез. Вони об’єднуються грубо в ті ж три групи: відрив Місяця від Землі, захоплення його з іншої орбіти і утворення на навколоземній орбіті. Однак гіпотези підлаштовуються під нові факти, зокрема народжуються гібридні варіанти.

Найбільш заслужена (за часом), але і найменш тепер популярна — гіпотеза відриву. Її висловив наприкінці XIX століття Дж. Дарвін. Він виходив з орієнтовного аналізу приливної еволюції місячної орбіти, згідно з яким Місяць був багато ближче до Землі. Передбачалося, що власні коливання Землі, увійшовши в резонанс з сонячними припливами, призвели до необмеженого зростання приливного виступу аж до відриву. Пізніше робилися спроби обґрунтувати цю гіпотезу розрахунками з механіки рідких середовищ: внаслідок ротаційної нестійкості могло відбуватися витікання речовини з екватора в тонкий диск або відрив грушоподібного виступу. Однак незабаром були знайдені помилки в розрахунках, а також стало ясно, що справи планет далекі від гідростатично рівноважної форми.

Гіпотезам відриву суперечила величина обертального моменту системи Земля-Місяць і розбіжність місячної орбіти з земним екватором.

Цікаво, що в якості одного з джерел енергії відриву передбачався миттєвий фазовий перехід силікатної речовини ядра в металевий стан, при якому могла виділитися гігантська енергія 10³⁸ Ерг. Однак аргументи прихильників «металізованого ядра» навіть для Землі далеко не безперечні, на Місяці ж тиск в надрах занадто малий для фазового переходу.

Незважаючи на те, що вивчення приливної еволюції Місяця і формули механіки обертових мас майже «поховали» гіпотезу відриву, вона «воскресла», як тільки з’ясувалося, що середня щільність Місяця близька до щільності порід верхньої мантії Землі. Однак ретельне вивчення в місячних зразках вмісту летючих елементів, супутніх залізу (кобальт, нікель, платина, іридій, осмій та інші), вказує на занадто істотну відмінність хімічного складу планет. Що ж, гіпотеза відриву остаточно відкинута і її місце лише у фоліантах істориків науки?

Аж ніяк – тривають спроби відродити її в новій формі, наприклад в такій: первісна рідина через ротаційну нестійкість розділилася на планети Землю і… Марс (?), а перешийок між ними став Місяцем…

Дивина супутникових якостей Місяця і особливо нові дані про відмінності його хімічного складу від Землі спонукали ряд астрономів і фізиків вважати Місяць прибульцем з Сонячної системи.

Вважають, що вже готова планета з сильно витягнутої орбіти, наприклад з району Меркурія, наблизилася до Землі і була захоплена її полем тяжіння. Однак, якщо відволіктися від зовсім вже екзотичних гіпотез (надвиверження місячного вулкана, що дало реактивний поштовх Місяцю в гравітаційні «обійми» Землі), то в якості причин такого захоплення висувається приливне зміна орбіти і зіткнення місяцеподібних тіл. При цьому заборони небесної механіки часом ігноруються на догоду новим доказам космохімії.

Все ж більшість дослідників вважає, що захоплення Місяця Землею цілком, в готовому вигляді, вкрай малоймовірне.

Визнаються змішані варіанти, наприклад наближення до Землі якогось космічного об’єкта, руйнування його приливними силами Землі, поступове відсування осколків і їх повторна акумуляція в Місяць.

В цьому випадку передбачається процес утворення Місяця на навколоземній орбіті. Схоже, що гіпотези цієї, третьої групи найбільш здатні не погрішити проти законів небесної механіки і одночасно пояснити геолого-географічні факти.

Утворення супутника представляється складовою частиною процесу перетворення навколосонячної газопилової хмари в систему планет. Однак у різних авторів немає єдності з питання про час зростання самої Землі (від 100 000 до 100 000 000 років), часу акумуляції Місяця (від 100 до 10 000 років), початковому видаленні «новонародженого» від Землі (від 5-8 до 30 радіусів Землі).

Обговорюються варіанти поетапної конденсації елементів в тіло планети і супутника з спочатку гарячої (2000° К) газової навколосонячної хмари.

Варіант, що спирається лише на хімічні дані і не розглядає правила механіки, запропонував Рінгвуд. Він передбачає одно стадійну акумуляцію Землі з одночасним виділенням залізного ядра. Земля при цьому утворюється «зсередини назовні». Спершу всередині знаходилася первинна метеоритна речовина, зовні – потужна атмосфера з окису вуглецю, водню і випаровуваних силікатів. Ця атмосфера створила парниковий ефект, завдяки чому відбулося хімічне відновлення металів з оксидів і вони в силу своєї тяжкості провалилися в ядро. Місяць утворився при подальшій конденсації потужної атмосфери Землі.

Мабуть, найменш суперечливою виявляється модель, розроблена в Інституті фізики Землі спершу його директором академіком О. Ю. Шмідтом, а потім розвинена його учнями і послідовниками. Згідно з цією гіпотезою, Земля сформувалася за 100 мільйонів років шляхом акреції, злипання з газопилових частинок протопланетної навколосонячної хмари. Спочатку вона була однорідною і відносно холодною.

До моменту формування 3/5 – 2/3 маси Землі навколо неї утворився супутниковий рій. Специфіка непружних зіткнень частинок на швидкостях кілька кілометрів в секунду приводила до зростання залізних і залізоокисних і до дроблення кременистих частинок. Саме тому Земля виявилася відносно збагаченою залізом в порівнянні з Місяцем, який сформувався дещо пізніше з частинок навколоземного супутникового рою. Більш дрібні частинки цього рою довше піддавалися експозиції в космічних променях, протони з високими енергіями «видули» і забрали геть легкоплавкі і летючі компоненти, забезпечивши переважання в материнській місячній речовині тугоплавких елементів.

Так ще до формування Місяця «космічним сценарієм» були закладені особливості його хімічного складу.

А далі? Далі навколоземний рій еволюціонував відповідно до законів небесної механіки. Частинки рою оберталися, безперервно стикаючись, злипаючись і дроблячись, і ті з них, чиї розміри перевищили 1000 км, могли вціліти і надалі стати зародком Місяця. Схоже, що таких зародків «протомісяців», було кілька, два або три. В ході приливної взаємодії вони зблизилися, і в один прекрасний день творіння Місяця зіткнулися. Енергія ударного злипання і забезпечила високу початкову температуру Місяця, що випливає з реконструкції його теплової історії. Існування невеликого числа вихідних праглиб природно пояснює і горизонтальну неоднорідність Місяця, помічену сейсмічними хвилями і гравіметрами.

Простежування в часі назад приливної історії Місяця говорить про те, що при своєму народженні Місяць був ближче до Землі (десь в інтервалі 10-30 земних радіусів), а ексцентриситет його орбіти і нахил до екватора були менше.

Точка зору, що розвивається в ІФЗ можливо, найкраща, але, звичайно, не остаточна. Тут теж свої складності: експериментально не вивчені ефекти зіткнення частинок оксидів в потрібному діапазоні швидкостей, незрозуміло, як вдалося Місяцю зберегти тепло при настільки довгій (108 років) акреції і т. д.

«Скульптори» місячного лику

Близько 4,6 мільярда років тому в околицях молодого Сонця закінчилися багатозначні, до кінця не розплутані події — народження планет і їх супутників.

Захід Сонця на Місяці тоді не був таким величаво-спокійним, як зараз. Світило занурювалося в палаюче, плещуче море розплавлених гірських порід. Град метеоритів сипався в нього, приводячи до перемішування, дегазації, загартування і переплавлення материнської речовини Місяця. У розплавленій оболонці в планетарному масштабі відбувалося фракційне розділення фаз – формувалися кора і верхня мантія Місяця. При цьому радіоактивні елементи концентрувалися в корі, обумовлюючи аномально високий потік тепла, помічений термозондами. Породи кори збагачувалися кальцієм і алюмінієм (анортитовий плагіоклаз), у верхній мантії переважали оксиди заліза і магнію (піроксен і олівін).

Період магматичної «бурхливої молодості» Місяця тривав не більше 1,5 мільярда років. В цей час вивергалися на Місяці вулкани під стать Санторіно, що можливо, поховали Атлантиду, і відбувалися катастрофічні планетотрясенія, — тільки не було сейсмометрів, щоб їх зафіксувати.

Зовнішня розплавлена оболонка Місяця, остигаючи зовні, тверднула. Швидкість зростання товщі літосфери становила близько 200 кілометрів на 1 мільярд років. Мабуть, в кінці першого мільярда років життя Місяця виникло центральне розплавлене ядро. Цілком можливо, що в ньому діяв саморегулюючий механізм «електромагнітного динамо». Свідчення його колишньої величі – висока залишкова намагніченість місячних порід. Його рідкі «останки» помітили сейсмічні хвилі з епіцентрів зі зворотного боку.

За міру охолодження зовнішньої кірки Місяця і продовження його бомбардування метеоритами 4,4 — 4,1 мільярда років тому утворювався типовий місячний кратерний рельєф, його блідий лик покрився «оспою» діаметром до 50-100 км. Кора тепер складалася з ударно-розпорошеного, переплавленого і перекристалізованого плагіоклазу. Тріщини в ній від ударів метеоритів простягалися до 15-25-кілометрової глибини, а мегареголіт мав гігантську потужність до 10 км.

У міру вичерпування космічного «сміття» з навколоземного супутникового рою частота падінь уламків на Місяць зменшилася. Але саме наостанок, 4,1 – 3,9 мільярда років тому, відбулися катаклізми, що залишили незгладимий слід на поверхні у вигляді великих басейнів, згодом заповнених темними базальтами. Причому більш стародавні басейни, як Море Спокою, мають неправильну форму, неглибоке днище і не містять концентрації або дефіциту мас. А відносно молоді басейни, такі як Море ясності, – великі, глибокі, масконові. Схоже, що на рубежі між ними, 4 мільярди років тому, щось змінилося в механічних властивостях кори, можливо, завершилися підйом і кристалізація розплавів оболонки.

Остання глава активного ендогенного життя Місяця – затоплення великих басейнів видимої сторони нині замерзлими морями темних базальтів. Базальти піднімалися з надр, де розпад радіоактивних елементів забезпечив необхідну для їх розплаву температуру. Виливи носили швидше за все пульсаційний характер. Варіації в складі і температурі різних районів Місяця призвели до того, що період заповнення морських басейнів затягнувся від 3,8 до 3,0 мільярда років.

На рубежі 3 мільярдів років на Місяці запанував відносний спокій. Настільки древній образ космічного світу подарував Місяць розумним автоматам і космічним експедиціям.

Чи є на Місяці тектоніка плит?

Сьогоднішній Місяць перебуває в тектонічному сні. Зараз вкрай рідкісні місяцетруси тектонічної природи. Глибинні витоки тектонічних рухів вчені бачать в різних процесах: щільнісній диференціації речовини мантії, фазових перетвореннях мінералів, «розтіканні» кори під вагою її потужних неоднорідностей.

У будь-якому варіанті визнається, що рух речовини в надрах; конвективні потоки – джерело геотектоніки. Планета «жива», поки вистачає речовини перемішуватися і досить високі її температури.

Чи існує подібна конвекція в Місяці? Питання вирішується, виходячи з геофізичних даних. Непроходження поперечних сейсмічних хвиль глибше половини радіуса означає, що центральна область Місяця, принаймні, частково розплавлена. Однак тепловий потік через поверхню настільки високий, що будь він навіть на 10 відсотків обумовлений охолодженням ядра, воно б затверділо і охололо за перший мільярд років. Поєднати ці дані з припущенням про існування твердої конвекції в мантії Місяця можна, якщо в’язкість мантії перевищує 10²² пуаз. Незалежні спостереження підтверджують високу в’язкість Місяця. По-перше, його літосфера має дуже велику сейсмічну добротність (близько 5000-10000), хвилі поширюються в ній майже не загасаючи. По-друге, місячна літосфера утримує маскони, приурочені до круглих морів і таких, що містять надлишок маси, що становить 10^-4 — 10^-5 маси Місяця.

Зіставляючи дані про температурний глибинний профіль Місяця з температурою плавлення порід, можна отримати радіальний розподіл в’язкості в Місяці. У верхній 200-300-кілометровій оболонці Місяця коефіцієнт в’язкості (10²⁶-10²⁷ пуаз) в сотні разів вище, ніж на відповідних глибинах Землі, навіть якщо брати найбільш жорсткі регіони кристалічних щитів. Від поверхні до центру Місяця в’язкість падає, глибше 500 км, в зоні гіпоцентрів місяцетрусів, вона зменшується в 100-1000 разів. У центральній частково розплавленій області Місяця в’язкість, мабуть, падає до значень, властивих і астеносфері Землі: 10²⁰ — 10²¹ пуаз.

Можна уявити собі тришарову конвективну модель Місяця. У центральній частково або повністю розплавленій області відбувається інтенсивна конвекція. У лежачій вище частині мантії конвекція протікає в твердій фазі. Нарешті, зовнішній пояс Місяця – жорсткий і холодний, перенесення тепла з нагрітої центральної частини відбувається за механізмом теплопровідності.

Реконструкція теплової історії Місяця свідчить про його високу початкову температуру та ранню диференціацію. До двох мільярдів років конвективні клітини охоплювали в основному зовнішні зони Місяця, потім, у міру затвердіння і охолодження літосфери, вони почали відступати на глибину, і число осередків зменшилося. Зараз в центральній зоні Місяця глибше 800-900 кілометрів є умови для існування конвекції, проте швидкість потоку речовини — 0,1 сантиметра на рік — на порядок менше, ніж на Землі.

В цілому сьогоднішній Місяць близький до стану теплової рівноваги: випромінювання тепла через поверхню відповідає або злегка перевершує його генерацію в надрах. Менше однієї мільярдної частини його тепловиділень перетворюється в сейсмічну енергію – решта «випаровується» в космос марно для селенотектоніки. Тектонічне життя Місяця паралізується потужною, жорсткою, холодною літосферою. В її розігрітій астеносфері можуть існувати конвективні потоки речовини, але вони слабкі і недостатні, щоб розколоти або пересунути літосферу Місяця, і лише в змозі викликати слабкі потріскування на контакті з літосферою.

Місяць – про майбутнє Землі

Місяць недарма нарекли «космічної сестрою» Землі. Його народження – процес, логічно завершальний акрецію самої Землі з навколосонячної протопланетної хмари. Коли Земля в основному скомпонувалася, з навколоземного супутникового рою виникла її «сестра», за народженням «молодша».

Немає підстав думати, що «дитяча пора» обох планет протікала по-різному. Дихання розпечених надр і метеоритні «зливи» могли посперечатися за силою свого впливу на тіло і лик планет. Катаклізми догеологічної і доселенологічної історії не раз плутали і зупиняли «радіоактивний годинник». Ні на Землі, ні на Місяці не знайдені сліди першого півмільярда років їх існування.

Однак наступні долі «сестер» склалися по-різному. Земля жила і продовжує жити «змістовним життям», повним внутрішніх подій і потрясінь: землетрусів, вивержень вулканів, піднесення гір, руху континентів. На ній утворилися атмосфера і гідросфера, виникло і вдосконалювалося рослинне і тваринне життя. Течія провідної речовини в надрах створила магнітний скафандр, що зберігає все живе від смертоносного дихання космосу.

У Місяця все інакше, внутрішніх сил його через малу масу і більш низьку температуру надр вистачило ненадовго. Немає на Місяці магнітосфери, атмосфери, гідросфери, не було і не буде життя. Не гірські кряжі і не нові види організмів розставили віхи на космічному шляху Місяця, а зовнішні події — удари метеоритів, що створили структуру поверхні планетарного масштабу.

І все ж було в еволюції планет щось важливе спільне, що дозволяє через зовсім ще мало вивчений Місяць поглянути на майбутнє Землі.

Це загальне – формування оболонок планет, хоча у Місяця процес цей був більш млявим і коротким. З того факту, що, згідно з гіпотезою О. Ю. Шмідта, Земля утворилася з холодної протопланетної хмари (правда, є і інші точки зору: конденсація з гарячого хмари, виділення ядра в процесі аккреції) і спершу була однорідна, а тепер постає перед вченими розшарованою на оболонки, слід, що мільярди років в ній діє потужний механізм, здатний рухати гори аж ніяк не в переносному сенсі. За великим рахунком це – механізм регулювання термічного стану планети, яким Земля «рятує сама себе від перегріву».

На Місяці процес розшаровування закінчився 3 мільярди років тому. Його менша планетарна маса і низька температура надр призвели до передчасної «старості». «Молодший» за народженням, Місяць виявився «старшим» братом Землі з розвитку. Такий важливий тектонічний механізм, як рух речовини в ході поліморфних перетворень, який вносить помітний внесок в геотектоніку, для селенотектоніки взагалі не існує через малі тиски в його надрах.

На Місяці теж відбувалася щільнісна диференціація речовини, кристалізація кори з розплаву, катастрофічні місяцетруси і виверження вулканів, але все це — в далекому минулому. Старенький, холодний і пасивний Місяць передрікає майбутнє Землі. Коли-небудь і на Землі перестануть змінюватися обриси материків, затихнуть вулкани, припиняться землетруси. Гігантська атмосфера своїм тиском вирівняє мальовничий рельєф нашої неповторної планети. Але буде це не скоро. І, треба думати, наука до того часу відкриє необхідні людям джерела енергії для пересування і влаштування життя в потрібних місцях і бажаним чином.

Погляд на Землю крізь поцятковане кратерами, запилене «місячне вікно» дозволяє краще зрозуміти догеологічний етап розвитку Землі і прийдешні перспективи. Місяць в космосі, як древній текст, який може бути пов’язаний з історією Землі через інтерпретацію нашого розуму, і як сучасний архів нашого Сонця, що зберігає в реголіті записи, що мають пряме відношення до майбутнього людей. Єдиний засіб для нас прочитати цей текст і використовувати цей архів — вивчити те, чим ми вже володіємо, і, що більш важливо, продовжити шлях, по якому ми пішли.

Автор: І. Галкін, кандидат фізико-математичних наук.