Земля занебесная

Прошлой ночью Китай запустил к Луне автоматическую станцию «Чанъэ-5» с возвращаемым модулем на борту. Планируется, что станция соберет на Луне около двух килограммов грунта и уже в декабре отправит их обратно. Последний раз лунную породу на Землю доставила советская миссия «Луна-24» в 1976 году, а экипаж последнего в истории «Аполлона» увез с собой несколько мешков с образцами — больше ста килограммов. Рассказываем, чем нас интересовало лунное вещество в разные годы и что нам от него нужно на этом витке освоения космоса.

Долгое время ученые плохо представляли, на что похожа поверхность Луны. Если вы посмотрите на нее в бинокль или даже просто невооруженным глазом, то увидите, что она неоднородна. Часть диска будет неровной и светлой, а часть более гладкой и темной, чем-то напоминающей земные моря. Несколько столетий назад так думали и астрономы, и всерьез предполагали, что на Луне есть не только материки и океаны, но и, возможно, живые организмы.

Уже к середине XIX века было совершенно ясно, что это не так. А наблюдения 1940-х годов и первые снимки, сделанные искусственными спутниками, окончательно доказали, что водоемов на поверхности Луны ждать не стоит. Но однозначного ответа на вопрос о том, какова ее поверхность «на ощупь», не было. Полученные «бесконтактными» методами данные давали противоречивые результаты. Одни исследователи думали, что верхний слой небесного тела состоит из примитивного нерасплавленного материала, другие считали, что лунные моря засыпаны мелкозернистой пылью. Как вспоминал один из исследователей, снимки, полученные спутниками в конце 50-х — начале 60-х годов, напоминали «магическое зеркало», в котором каждый видел отражение собственной теории.

В ответ на орбитальный полет Гагарина президент США Джон Кеннеди убедил Конгресс и пообещал американцам высадить к концу десятилетия человека на Луну. СССР развивал собственную программу, конечной целью которой также была экспедиция космонавтов на поверхность Луны в 1969-1970 году. На этом этапе более точные сведения о свойствах лунного грунта получили конкретную прагматическую ценность — чтобы успешно посадить аппарат на Луну, надо было знать, на что именно он будет садиться. Собирали их исследователи — как советские, так и американские — с помощью роботизированных аппаратов.

На снимках некоторые участки лунной поверхности напоминали земные ландшафты. Это сходство, а также собранные в ходе наблюдений данные, легли в основу подготовки к миссиям. Во многом лунный грунт по своему внешнему виду напоминал рыхлые вулканические отложения, и поэтому, например, часть «лунных» полигонов СССР находилась на Камчатке.

В феврале 1966 года автоматическая межпланетная станция «Луна-9» совершила первую в мире успешную мягкую посадку на спутник Земли. Когда ученые планировали первые миссии на Луну, они всерьез опасались, что лунный грунт будет слишком легким и рыхлым, чтобы выдержать вес посадочного аппарата, и последний завязнет в нем. К великому облегчению ученых, поверхность оказалась достаточно твердой. А фотографии показали, что Луна покрыта среднего размера скалами, присыпанными порошкообразной пылью. Это позволило подтвердить «метеорно-шлаковую» теорию строения наружного покрова Луны, которая объясняла образование реголита дроблением, частичным расплавлением и спеканием лунных пород.

Позднее американские миссии Surveyor собрали более детальные данные о свойствах грунта, в том числе и о его химическом составе. Темные моря оказались схожи с земным базальтом — темной богатой железом магматической породой, а высокогорья возле молодого кратера Тихо оказались странным образом богаты алюминием.

Однако наиболее значимую роль в исследовании поверхности спутника сыграла программа «Аполлон». 20 июля 1969 года Нил Армстронг и Базз Олдрин совершили первую в истории высадку на поверхность Луны, во время которой они собрали 21,5 килограмма грунта и доставили их на Землю.

Последующие экспедиции программы «Аполлон» увеличили этот запас больше, чем на 300 килограмм. Кроме того, 326 граммов реголита собрали советские автоматические аппараты серии «Луна». Именно благодаря этим пробам мы знаем все то, что знаем сегодня.

На что похож лунный грунт

Британская поговорка гласит, что Луна сделана из сыра, но это, конечно же, не так. На самом деле она состоит из каменистых пород, обломков и пыли. Ее верхний слой покрыт реголитом — рыхлым обломочно-пылевым материалом, толщина которого достигает нескольких десятков метров. Частицы реголита в среднем имеют размер от 60 до 80 микрометров — это пылинки толщиной с человеческий волос. Их цвет меняется от темно-серого до черного, с включениями крупных частиц с зеркальным блеском.

Если говорить о химическом и минеральном составе лунного грунта, то исследования доставленных на Землю образцов, выполненные с помощью оптического микроскопа и сканирующего электронного микроскопа, показывают, что он состоит из пяти основных компонентов:

• обломков изверженных пород,
• минералов,
• стекла,
• брекчий ударно-взрывного происхождения,
• уникальных для Луны агглютинатов, кластеров расплавленных частиц.

Частицы зерен на поверхности также можно разделить по происхождению на две группы: принадлежащие реголиту и принадлежащие коренной подстилающей породе.

Данные программы «Аполлон» показали, что лунные моря — это древние вулканические породы, базальты, кристаллизовавшиеся более 3,6 миллиардов лет назад. Более светлые «материки» преимущественно состоят из анортозитов и их разновидностей. Для реголита обоих типов характерно присутствие частиц металлического железа, а еще он очень сухой по сравнению с земным грунтом.

На зернах грунта отсутствует оксидная пленка, и из-за этого они сильно слипаются и электризуются. Кроме того, реголит хорошо поднимается вверх от ударных воздействий. К слову, это доставило немало неудобств астронавтам, поскольку зерна постоянно приставали к скафандрам. Счистить их было трудно, а шлюзовой камеры, где можно было бы оставить одежду, в спускаемых модулях «Аполлона» не было. В итоге пыль попадала внутрь корабля и экипажу приходилось работать в грязи. Как вспоминают участники лунных миссий, реголит пах порохом и гарью, от него слезились глаза и першило в горле.

Если говорить о химическом составе реголита, то он на 99 процентов состоит из кислорода (40-45 процентов), кремния, алюминия, кальция, железа, магния и титана. Оставшийся процент приходится на марганец, калий, натрий, фосфор. В число минералов, встречающихся в лунном грунте, вошли магматические горные породы габбро и норит и тяжелые рудные металлы, среди которых есть ильменит (титанистый железняк), оливин и силикатные породы.

Лунные истории

До того, как экипаж «Аполлона-11» привез на Землю первые сумки с лунным реголитом, некоторые ученые думали, что наш спутник всегда был холодным — то есть его недра никогда не разогревались до таких температур, чтобы породы внутри начали плавиться. Если бы эта гипотеза была верна, грунт должен был бы напоминать хондритовые метеориты — примитивные объекты, которые, как считается сегодня, образовались на ранних этапах существования Солнечной системы непосредственно из протопланетного облака. Сторонники теории «холодной Луны» также предсказывали, что лунные моря представляют собой однородные затвердевшие остатки расплавленной породы, которые образовались после падения метеоритов и астероидов.

Тем не менее, первые же исследования показали, что у Луны все же было «горячее» прошлое. В собранных астронавтами «Аполлона-11» образцах были светлые частицы, богатые полевым шпатом плагиоклаз. В среднем, они состояли из него на три четверти (а некоторые чуть ли не полностью), что стало большой неожиданностью для ученых, поскольку плагиоклазы образуются при кристаллизации магмы.

Так как экипаж приземлился в темном Море Спокойствия, специалисты из NASA предположили, что светлые зерна попали туда с близлежащих высокогорий, откуда они были выброшены ударами метеоритов. Также частицы грунта были схожи по составу с породами на высокогорном кратере Тихо, который исследовал роботизированный посадочный аппарат Surveyor 5. Модели, построенные на основе анализа размера кратеров (которыми Луна буквально усеяна), показали, что толщина светлого слоя должна составлять не менее десяти метров. Закономерно возник вопрос — откуда взялось столько пород, которые содержат минерал, образующийся в магме?

На Земле плагиоклазы встречаются в местах, где магма проникла в кору, но не вылилась на поверхность — интрузиях. Примером интрузива могут служить Хибины на Кольском полуострове. Плагиоклазы менее плотные, чем другие компоненты магмы, такие как оливин и пироксен, а значит более легкие — они «всплывают» наверх. Поэтому ученые пришли к выводу, что когда-то спутник Земли вовсе не был холодным. Скорее всего, его когда-то покрывал океан из магмы.

Позднее геологи обнаружили, что земные вулканические породы и лунный грунт очень похожи по изотопному и химическому составу. А радиометрическое датирование образцов, привезенных астронавтами, показало, что их возраст достигает 4,4 миллиарда лет. На основе этого исследователи выдвинули достаточно красивую и наиболее популярную сегодня теорию. Согласно ей, Луна образовалась из земных пород, которые были выброшены на орбиту в результате столкновения с гипотетической планетой Тейей.

Другая часть теории «холодной» Луны говорила о том, что лунные моря состоят из примитивных материалов, а не из застывших потоков вулканической лавы. Однако благодаря привезенному на Землю грунту мы узнали, что моря на Луне устланы базальтовыми породами. Они несколько отличаются от базальтов на нашей планете, но его текстура явно свидетельствует о магматическом происхождении.

Сегодня считается, что лунные вулканы прекратили активно извергаться 3,3 миллиарда лет назад. После этого внутренняя часть небесного тела остыла, и вулканическая активность стала ограничиваться очень небольшими участками. Сегодня поверхность спутника изменяется за счет внешних, а не внутренних воздействий. В основном, ее формируют падения метеоритов.

Новые вопросы

Китайская станция «Чанъэ-5» прилунится  неподалеку от вулкана Пик Рюмкера. Горные породы в этом районе могут быть достаточно молодыми — по предварительным оценкам, их возраст доходит до 1,2 миллиарда лет (для сравнения, возраст привезенного «Аполлонами» грунта варьируется от 3,1 до 4,4 миллиарда лет). Это может рассказать нам о других эпохах истории Луны и Солнечной системы.

Однако новые исследования грунта важны не только для того, чтобы закрыть «белое пятно» в истории Луны, но и для решения прагматических задач.Сегодня мы находимся на новом этапе лунной гонки, и в этот раз ее цель не просто доказать, что мы способны долететь до спутника, но и подготовить человечество к колонизации других небесных тел. Поскольку Луна ближе, чем Марс, именно она станет основным полигоном для отработки технологий — а затем и перевалочным пунктом по дороге на Марс. А это значит, что на Луне должна появиться база.

Луна обладает важными ресурсами, которые можно будет добывать прямо на месте. Как мы уже говорили ранее, реголит на 40 процентов состоит из кислорода, который потенциально можно будет извлекать через термо-химические реакции и использовать для производства ракетного топлива и поддержания систем жизнеобеспечения в поселениях. Также из лунного грунта, вероятно, можно будет получать драгоценные металлы (если их найдут) и гелий-3, который сохраняется в поверхностном слое. Последний пригоден для использования в качестве источника термоядерной энергии — по некоторым расчетам, его запасов хватит населению нашей планеты на пять тысяч лет (а то и на все десять). Правда, для этого нам еще предстоит освоить технологии создания подходящих для этого реакторов.

Из реголита также можно изготавливать строительные материалы, которые способны сохранять тепло и быть источником энергии. С учетом того, что лунная ночь длится 16 земных суток, а температура на спутнике меняется от −173 до 127 градусов Цельсия, эта технология может быть критически важной. Кроме того, у Луны нет атмосферы, которая бы защищала ее поверхность от солнечного ветра и космического излучения. Поэтому сегодня предлагается покрывать жилые модули реголитом для дополнительной защиты, но насколько хорошо будет работать такое «покрывало» пока что не ясно.

Не менее важно понимать, какой ущерб лунный грунт способен нанести приборам и человеку. Абразивные зерна могут портить одежду, причинять вред здоровью космонавтов (легким, нервной системе) и затруднять работу солнечных панелей. Сегодня многие ученые склоняются к тому, что для того, чтобы лучше подготовиться к критическим ситуациям, нужны непосредственно образцы реголита. Поэтому доставка новых «порций» реголита на Землю критически важна для будущих миссий.