Характерной особенностью лунного рельефа являются горы. Если лунные «моря» — это пустынные, каменистые, без признаков влаги низменности, то горы на Луне самые настоящие. Там насчитывается семнадцать горных цепей, весьма схожих с земными, и более ста тысяч кольцевых гор, которые астрономы называют, как уже говорилось, кратерами и цирками, некоторые из них достигают в поперечнике ста и больше километров. Например, горы у Южного полюса Луны поднимаются над уровнем поверхности на 10 километров. Величайшую из земных горных вершин — Джомолунгму (или Эверест), расположенную в Гималаях, они превышают более чем на один километр.
Нужно сказать, что темные пятна более ровных лунных «морей» занимают меньшую часть поверхности Луны. Соотношение морских и материковых районов для лунного шара составляют 1:6. «Моря» в основном концентрируются на обращенном к Земле полушарии. На обратной стороне имеются лишь два небольших «морских» участка — Море Восточное и Море Москвы, на долю которых приходится всего лишь 3 процента площади.
Однако отсутствие на обратной стороне Луны «морей», как говорится, уравновешивается наличием огромных впадин. Эти впадины были названы учеными талассоидами, что в переводе с греческого языка означает «мореподобные».
Талассоиды, как было установлено, имеют округлую форму, а в их центре находится довольно ровная плита, которая может иметь как светлое материковое, так и темное морское покрытие. Примером таких образований на видимой стороне Луны являются Море Нектара и Море Гумбольдта. Впрочем, наиболее характерные талассоиды все же находятся на ее обратной стороне; самые крупные из них получили названия — Королев и Герцшпрунг.
Несколько слов хотелось бы сказать о кратерах с лучевой структурой. Раньше ученые предполагали, что светлые лучи, расходящиеся из многих кратеров, — это молодые образования насыпного характера. Однако на сделанных космическими аппаратами фотоснимках светлые полосы распадаются на мелкие кратеры, в основном типа кратеров — лунок. Вероятней всего, это вторичные кратеры, созданные осколками пород, разлетавшимися при образовании первичных кратеров. Повышенная плотность малых кратеров явно свидетельствует в пользу их ударного происхождения.
Кроме крупных структурных деталей Луны («морей», «континентов», талассоидов, гор и кратеров), которые и раньше наблюдались с Земли, теперь ученые могут изучать более мелкие поверхностные элементы. В первую очередь это множество небольших кратеров, имеющих различную форму, размеры и происхождение. Среди них нетрудно выделить молодые и старые, то есть уже разрушенные кратеры. На «континентах» в среднем приблизительно в 30 раз больше кратеров, чем в «морях», хотя последние по возрасту моложе первых лишь на 0,5 миллиарда лет.
К настоящему времени практически вся поверхность Луны покрыта «чехлом» мелкозернистого обломочно-пылевого материала — реголита, который состоит из осколков магматической породы, шлакообразных частиц неопределенной формы и сфероидальных образований, представляющих капли расплавленной магматической породы.
Мощность реголитового слоя в районах «морей» колеблется от 4 до 8 метров, а в материковых местах — от 4 до 12 метров. При периодической бомбардировке микрометеоритами частицы реголита перемещаются и перемешиваются. Ниже слоя реголита расположены спекшиеся, сцементированные обломки различного состава — брекчии. Они покоятся на пластах монолитного материала, который в верхней своей области рассечен множеством трещин, а ниже переходит в сплошную скальную породу лунной коры.
Прочность лунного реголита, как свидетельствуют, например, данные, полученные советскими самоходными лабораториями «Луноход-1» и «Луноход-2», оказалась различной на валах, склонах и днищах разных по профилю кратеров. С увеличением угла наклона лунной поверхности прочность верхнего слоя реголита уменьшается.
В отношении лунных камней можно сказать, что они обладают разными прочностными свойствами. Наибольшую прочность имеют обломки пород со свежими гранями и острыми ребрами. Камни же округленные и шероховатые имеют, как оказалось, незначительную прочность. «Луноход-1» и «Луноход-2» выявили и камнеподобные образования, имеющие наименьшую прочность и представляющие собой, по-видимому, слипшиеся частицы реголита.
Большую трудность всегда представляло определение окраски лунных ландшафтов. Одни исследователи говорили, что цвет лунной поверхности зеленый, другие считали его скорее серым или, на худой конец, темно-зеленым. Третьи настаивали на грязно-желто-зеленом цвете. Были и такие специалисты, которые склонялись в пользу буро-красного.
Изучение оптических свойств реголита, доставленного в земные лаборатории как пилотируемыми, так и автоматическими космическими аппаратами, привело к разгадке этого довольно странного «разнобоя» в оценке цвета лунной поверхности. Оказалось, что при углах зрения, близких к нормали, то есть к 90 градусам, реголит имеет зеленоватый оттенок. При увеличении же параметров угла в ту или иную стороны у реголита появляются и желто-бурый, и красно-бурый оттенки.
Как оказалось, масса Луны и отношение между массами Земли и Луны имеют очень важное значение в системе так называемых астрономических постоянных.
Запуски космических аппаратов к Луне и планетам Солнечной системы позволили ученым найти принципиально новый способ определения массы Луны в единицах массы Земли. В процессе траекторных измерений на основе «эффекта Доплера», то есть изменения длины волны при движении источника волн относительно их приемника, получают скорость движения космического аппарата относительно Земли.
В тоже время для определения положения аппарата в пространстве учитывают как собственную скорость движения Земли, так и скорость земного центра относительно барицентра, то есть общего центра масс двух небесных тел — Земли и Луны. Выделение этого последнего компонента в результате совместной обработки траекторных и астрономических данных и позволяет оценить относительную массу Луны. Подобные практические определения проводились неоднократно во время полетов космических аппаратов как непосредственно к Луне, так и в дальний космос.
По возмущениям траекторий космических аппаратов, движущихся в сфере притяжения Луны, можно также найти величину произведения постоянного тяготения (G = 6,672 × 10-23 км3/с2г) на лунную массу, а затем вычислить и саму массу Луны. В качестве эфемеридной величины отношений массы Земли и Луны в 1976 году Международным астрономическим союзом было принято значение 81,3008 для системы астрономических постоянных. Эта величина соответствует среднему значению большой полуоси эллипса барицентрической орбиты центра массы Земли, равной 4670 километрам, то есть барицентр расположен внутри земного шара. При массе Земли, равной 5,974 × 1027 граммов, масса нашего спутника Луны составляет 7,345 × 1025 граммов.
Современные сведения о внутреннем строении Луны получены в процессе исследований ее гравитационного паля, сейсмичности и теплового потока, исходящего из лунных недр. В результате облета Луны космическими аппаратами ученые обнаружили подповерхностные избыточные массы — масконы (сокращение от английских слов «mass concentration» — «концентрация массы»).
В этой связи вспоминается случай, происшедший с американским космическим кораблем «Аполлон-10». Он уже совершил более 30 оборотов вокруг Луны, и два его астронавта уже готовились к посадке на Луну, когда отстыкованный посадочный модуль начал сильно раскачиваться. Это вынудило руководителей полета отменить запланированную посадку А позже выяснилось, что причиной резких гравитационных аномалий были лунные масконы.
Как правило, селенографическое положение масконов совпадаете круговыми лунными «морями». Однако, к сожалению, природа масконов в настоящее время еще недостаточно ясна. В частности, существует предположение, что каждый маскон представляет собой астероидное тело (по всей видимости, крупного железного метеорита), мощный удар которого явился причиной образования «моря». Возможно также, что масконы указывают на заполнение бассейнов «морей» лавами высокой плотности или, наконец, что масконы представляют собой своеобразные скопления тяжелых минералов. Природа масконов может быть выяснена лишь после получения дополнительной информации, так как высказанные выше гипотезы представляются достаточно спорными.
Построить вертикальный разрез Луны позволяют сейсмические исследования, согласно которым недра Луны, как и недра Земли, имеют зонально-оболочечное строение. При среднем радиусе Луны 1738 километров толщина ее материковой коры на обращенной к Земле стороне составляет около 60 километров, а на обратной — около 100 километров. Мощность морских базальтов, перекрывающих материковую кору, в разных местах различна и, вероятней всего, колеблется от 1,5 километра (район Тавр-Литтр) до 15–20 километров (район Моря Ясности).
Под корой до глубины 300 километров располагается лунная верхняя мантия. Слой от 300 до 900 километров глубины представляет собой среднюю мантию, за которой идет нижняя мантия. Нижняя граница мантии расположена на глубине около 1000 километров. В этой области локализуются источники «лунотрясений», мощность которых, как правило, невелика. «Лунотрясения» происходят каждый раз, когда Луна находится в перигее иди апогее своей орбиты. Кроме того, зарегистрирован еще 207-дневный, совпадающий с периодом возмущений Солнца цикл «лунотрясений», которые происходят относительно часто (600—3000 в год).
Как оказалось, сейсмические колебания, порожденные падением на лунную поверхность метеоритов и лунных отсеков кораблей «Аполлон», поглощаются в центральной области Луны. В связи с этим можно утверждать, что ее ядро частично расплавлено. Оно имеет около 350 километров в диаметре и вряд ли состоит из железа, так как вблизи Луны не замечено никаких возмущений в потоке солнечной плазмы, Следовательно, можно говорить лишь о силикатном, частично расплавленном ядре. По некоторым предварительным оценкам, температура его достигает 1500 °C.
Луна не является холодным безжизненным телом и в настоящее время В ее глубинах теплится жизнь. Теплый поток, исходящий из недр Луны, составляет около 1/3 теплового потока, поступающего из недр Земли. Средняя температура за цикл лунного дня и ночи на глубине 30 сантиметров от поверхности Луны практически постоянна и составляет около — 10 °C Температура в лунных недрах сначала очень быстро растет с глубиной (от 0 °C до 830 °C на 200-метровой глубине), а затем изменяется довольно медленно, достигая, как уже отмечалось, 1500 °C на глубине 1000 километров. В связи с этим можно предположить, что сегодняшний тепловой поток из недр Луны создается радиоактивными изотопами.
Измерения параметров орбит искусственных спутников Луны помогли воссоздать структуру лунного гравитационного поля, которое, как выше отмечалось, отличается от сферического. Оно сплюснуто у полюсов, сильно вытянуто над обратным полушарием Луны и слегка над северной частью ее видимого полушария. Результаты исследований свидетельствуют о том, что такие гравитационные аномалии вызываются наличием на Луне масконов…
Что касается магнитного поля Луны, то, по оценкам ученых, оно весьма слабое и составляет примерно 0,1 процента магнитного поля Земли.
Кстати, первые данные о существовании этого поля поступили с советской космической станции «Луна-2», а портативный магнитометр американского космического корабля «Аполлон-16» зафиксировал напряженность до величины 327 гамм, то есть на два порядка больше, чем это ожидалось по результатам измерений с окололунных орбит.
Несмотря на это, высокую напряженность магнитного поля объясняют остаточным магнетизмом лунной коры. Согласно гипотезе американского ученого Г. Юри, наша Луна когда-то имела сильное магнитное поле, которое впоследствии утратила в результате резких внутренних термических изменений.
Действительно, исследования Луны показывают, что остывание и кристаллизация ее пород происходили в магнитном поле, напряженность которого могла достигать максимального значения, равного 3 тысячам гамм (кстати, напряженность магнитного поля Земли на экваторе в настоящее время составляет 31 тысячу гамм).
Поскольку Луна, как было сказано выше, не обладает железным ядром, то лунный магнетизм, как считают сегодня многие ученые, имеет все же внешнее происхождение. Однако этот вопрос еще недостаточно изучен.
В связи с тем, что масса Луны примерно в 80 раз меньше, чем масса Земли, а величина гравитационного лунного поля очень мала, атмосфера в земном понимании у Луны практически отсутствует. Скорее можно говорить о сильно разреженной газовой оболочке.
Эта оболочка, как было установлено, «питается» в основном за счет трех источников:
— дегазации лунного вещества (особенно в дневное время лунных суток),
— дегазация разреженного газа солнечного ветра,
— испарения вещества при сверхзвуковых ударах метеорных тел.
Измерения на лунной поверхности показывают, что вскоре после захода солнца и в течение всей лунной ночи давление составляет 10-12 миллиметров ртутного столба при температуре 100° Кельвина. Лунным днем давление поднимается до 10-10 миллиметров ртутного столба при температуре 300° Кельвина. Плотность газовой оболочки Луны настолько мала, что пространство надлунной поверхностью можно считать экзосферой. Это — самый верхний слой планетной атмосферы, из которого свободно диссипируют молекулы.
Наибольшая плотность лунной атмосферы наблюдается в ночное время (в пересчете на плотность у поверхности 2 × 105 см-3). В дневное время лунных суток концентрация газов соответственно падает до 104 см-3. Эта величина составляет всего лишь 10—13 концентрации молекул газов в земной атмосфере, но все же на три-четыре порядка больше концентрации частиц в солнечном ветре в районе Земли. Основными компонентами лунной атмосферы являются прежде всего водород, гелий, неон и аргон.
Говоря об атмосфере и гравитационном поле Луны, нельзя не коснуться вопроса о возможности создания на ней обсерваторий. О Луне как о своеобразном «астрономическом рае» ученые мечтали очень давно. Действительно, на Луне нет почти никакой атмосферы, которая своими колебаниями, непрозрачностью в обширном диапазоне дайн волн, облаками и пылью искажала бы объект наблюдения; а слабая сила тяжести, казалось бы, позволяет создавать гигантские (в земных понятиях) телескопы и т. д. Однако вся эта радужная перспектива оказывается под большим вопросом.
Условия астрономических наблюдений на Луне были специально изучены с помощью советского самоходного аппарата «Луноход-2». Он был оборудован особым прибором — астрономическим фотометром, предназначенным для измерения яркости лунного неба. С 16 января по 30 марта 1973 года состоялось двенадцать сеансов связи с этим фотометром (девять из них в условиях лунной ночи и один в так называемых лунных сумерках).
В результате обработки полученных с Луны данных выяснилось, что вопреки ожиданиям свечение как дневного, так, кстати, и ночного лунного неба оказалось заметно выше предполагаемого. Столь яркое свечение, возможно, было вызвано рассеянной в пространстве лунной пылью, которая образовалась в результате бомбардировки лунной поверхности метеоритами.
Эти частицы рассеивают не только солнечный свет, но и отраженный свет от Земли. Дело в том, что наша планета в лунном небе — это достаточно большое светило, которое в сорок раз ярче, чем полная Луна в небе Земли. Все эти моменты делают вопрос создания на Луне землянами обсерваторий очень и очень проблематичным.
Изучение лунного грунта, доставленного на Землю из разных районов видимой поверхности Луны советскими автоматическими станциями «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24», а также шестью американскими пилотируемыми аппаратами серии «Аполлон», показало, что породы в морских и в материковых районах существенно отличаются друг от друга.
К настоящему времени описано более 50 минералов, содержащихся в лунных породах. Кроме того, около 40 недостаточно охарактеризованных минеральных фаз нуждаются в дополнительном изучении. Следует заметить, что в земной коре известно более двух тысяч минералов. Относительно ограниченное число минералов в лунных породах связано с тем, что на Луне практически нет воды, летучих компонентов и кислорода, а все это и обуславливает как безводный, так и восстановительный характер минералообразования.
Основные сведения о химическом составе и физико-механических свойствах лунного вещества получены в результате изучения пород поверхностного слоя. При этом лунный грунт детально исследовался как в естественном состоянии, так и в лабораторных условиях на Земле.
В лунном веществе было найдено, например, химически чистое, не окисляющееся железо, которое в земных условиях получить довольно трудно. Лунные образцы, как оказалось, содержат много известных минералов, но было найдено и три новых, то есть не встречающихся на Земле. Один из них в честь американских астронавтов «Аполлона-11», первыми опустившимися на Луну, Армстронга, Олдрина и Коллинза, назван армолколлитом.