Луна

Размещено на http://www.allbest.ru/

21

Реферат

Луна

спутник луна планета земля прилив

Общие сведения

Луна -- единственный естественный спутник Земли, находится от нее на расстоянии 384,4 тыс. км. Наклон орбиты к плоскости эклиптики 5°8',7. Масса Луны составляет 0,0123 массы Земли или 7,6.1022кг. Диаметр Луны чуть больше четверти земного (0,273) или 3 476 км. Луна -- это большой спутник, 5-ое место среди известных естественных спутников в Солнечной системе. Луна -- единственный естественный спутник Солнечной системы, который притягивается Солнцем сильнее (в 2 раза!), чем «своей» планетой. Если быть точными, то, скорее, Земля искажает путь Луны вокруг Солнца, чем наоборот. Ускорение силы тяжести на поверхности 1, 62 м/с2. Светит отраженным солнечным светом, визуальное сферическое альбедо 0, 067.

Уже при беглом взгляде на спутники планет Солнечной Системы становится ясно, что их легко можно разделить на две группы. Семь из них можно назвать «гигантскими лунами». Их диаметры заключены в пределах 3000-6000 км, т.е. по величине эти спутники сравнимы с планетой Меркурий. Все остальные спутники, напротив, совсем крошечные -- обычно меньше 1000 км в поперечнике. Диаметры многих из них составляют всего несколько десятков километров. Астрономы иногда даже называют их «летающими горами». Интересно заметить, что шесть из семи «гигантских лун» принадлежат трем крупнейшим планетам: Юпитеру, Сатурну и Нептуну. Эти три планеты настолько громадны, что по сравнению с ними даже самые большие их спутники кажутся крошечными. Характерно, что массы этих шести лун обычно меньше 0,001 массы планеты, вокруг которой они обращаются. Седьмая «гигантская луна» обращается вокруг Земли, которая принадлежит к числу самых малых планет в Солнечной системе. Поэтому Земля и ее спутник -- Луна -- не очень сильно отличаются по размеру и массе. Действительно, Земля только в 81 раз массивнее Луны. Это необычное явление, так как большинство других спутников в Солнечной системе является просто карликами по сравнению с их родительскими планетами. Земля и Луна вполне сравнимы по своим размерам. Поэтому Землю и ее спутник, строго говоря, можно назвать двойной планетой.

Наша уникальная Солнечная система»

Радиометрический возраст наиболее древнего вещества Солнечной системы, из которого состоят падающие на Землю метеориты, достигает в среднем 4,6 млрд. лет. Примерно тот же возраст имеют и наиболее древние породы Луны, доставленные на Землю космическими аппаратами и экспедициями. Естественный спутник нашей планеты по массе в 80 раз меньше центрального тела.

Спутники планет Солнечной системы имеют разную природу образующего их вещества. За исключением нашей Луны, средняя плотность которой 3,34 г/см3, и спутников Юпитера Ио и Европа (плотность которых 3,57 и 2,97 г/см3, соответственно), большинство спутников планет-гигантов состоят изо льда с различными по массе примесями силикатных пород и характеризуются плотностью 1 - 2 г/см3. Резким исключением выглядят и спутники Марса, массы и размеры которых более соответствуют астероидам, чем типичным спутникам больших планет. Возможно, Фобос и Деймос были захвачены Марсом из пояса астероидов.

Химический состав тел Солнечной системы. Вещество, из которых сложены тела Солнечной системы, можно условно разделить на три группы. Во-первых, это горные породы, состоящие из различных минералов, которые нам хорошо известны на Земле. Современные знания позволяют прогнозировать характер глубинных пород, из которых состоят земные недра. Анализ доступного в настоящее время внеземного вещества показал его общее подобие веществу земному по химическому и минералогическому составу. Основными минералообразующими элементами во всех случаях являются кремний, железо, алюминий, магний и титан в окисленном состоянии, то есть при значительном включении кислорода в химические соединения. Средняя температура плавления этих материалов достигает около 2000 К. Условно эту группу можно назвать «земным веществом».

Углерод, азот, кислород и в меньшем количестве водород, входящий в некоторые химические соединения, составляют распространенную группу планетных летучих веществ. В виде газов эти элементы образуют атмосферы отдельных планет или крупных спутников. Но чаще летучие компоненты вещества Солнечной системы существуют при температурах ниже 273 К в твердом состоянии, то есть в виде льда. Поэтому эту группу назовем условно «льдами».

Наконец, такие газы, как водород и гелий, наиболее обильно встречающиеся на Солнце, с небольшими примесями неона, аргона и некоторых других элементов отнесем к группе «солнечного вещества». Температура кипения подобной смеси составляет около 15 К.

Ранние стадии развития планет. Для первых сотен миллионов лет в истории Солнечной системы решающим фактором формирования планет и спутников была астероидная и кометная бомбардировка. Достаточно сказать, что современное «лежачее» положение Урана, ось вращения которого наклонена к эклиптике на 980, по-видимому, является результатом столкновения с достаточно крупным телом.

В этот период на Земле и других планетах земного типа формировалась первичная кора. В настоящее время на нашей планете не сохранилось каких-либо следов той эпохи. Вместе с тем, на малых телах, в том числе и на Луне, остановившихся на ранних стадиях своего развития, можно обнаружить хорошо отождествляемые признаки первичной коры.

Если говорить о возрасте и продолжительности в млрд. лет глобальных вулканических и тектонических процессов на поверхности Луны и планет земной группы, характеризующих историю эволюции этих тел, то для Земли и Луны временные границы эпох определены по измеренным значениям возраста образцов пород, относящихся к соответствующим периодам. Возраст соответствующих формаций на Марсе определен по кратерной статистике. При этом рассматривались только глобальные образования. Такие отдельные формы рельефа, как, например, гора Олимп имеют более молодой возраст -- несколько сотен миллионов лет. Шкала абсолютного возраста для планетарных формаций на Меркурии получена также по кратерной статистике в предположении соответствия метеоритного потока на поверхность Меркурия и на поверхность Луны в аналогичные геологические эпохи.

Следы наиболее ранних процессов планетной эволюции, протекавших более 4,0 млрд. лет назад, проявляются в древних формах рельефа на Меркурии, Луне и Марсе. По современным представлениям механизм переноса тепла в недрах Луны, Меркурия и Марса в основном происходил в виде конвекции. Наглядным примером является многофазное формирование лунной коры, при котором более поздние слои выплавлялись из мантии в виде глобальных лавовых потоков, перекрывая уже существовавшие формы рельефа. При весьма близком внешнем сходстве Луны и Меркурия (сильно кратерированная поверхность, лавовые поля и т.п.), должно существовать принципиальное отличие в глобальных процессах, поскольку установлено, что по внутреннему строению Меркурий отличается от Луны огромным ядром. Радиус ядра Меркурия составляет около 75% от радиуса планеты, что соответствует 42% объема (у Луны ядро занимает только 4% объема). В сочетании с высокой средней плотностью Меркурия (5,3 г/см3) это отличие пока ждет своего объяснения.

Процессы глобальной эндогенной (внутренней) активности на Меркурии и Луне прекратились на рубеже 3,0 -- 2,5 млрд. лет назад, на Марсе они продолжались еще около одного миллиарда лет.

Процессы формирования вторичной планетной коры можно проследить по их следам на Луне, где вторичная кора образовалась в результате плавления пород верхней и средней мантии. Несмотря на то, что по объему вторичная кора на Луне составляет лишь 1% от общего объема современной лунной коры, эта структура хорошо выражена в глобальных формах рельефа.

Ударные процессы в Солнечной системе. Уникальное образование, относящееся к эпохе завершения процесса дифференциации планетных тел (разделения недр на ядро, мантию и кору), обнаружено на обратной стороне Луны. Речь идет о гигантской многокольцевой впадине (или бассейне) вблизи южного полюса. Диаметр внешнего кольца этой структуры достигает 2500 км, что в 1,4 раза больше лунного радиуса. По данным измерений высот на снимках, полученных автоматическими станциями серии «Зонд» (1968 -- 1970 гг.), глубина впадины достигает 10 -- 12 км относительно окружающего материка. По результатам лазерной альтиметрии с борта спутника Луны «Клементина» (1994 г.) средняя разница высот между гребнем внешнего вала и дном этой многокольцевой структуры превышает 13 км.

Внутри кольца уместились такие довольно крупные образования более позднего происхождения как кратеры Аполлон (диаметр 491 км), Шредингер (320 км), Планк (355 км) и даже небольшое Море Мечты. Судя по количеству мелких кратеров на единицу площади внутри впадины, время его образования относится к раннему периоду лунной истории. Оценки этого возраста сходятся на периоде между 4,3 и 3,9 миллиарда лет.

Спектрозональные изображения, полученные на основе снимков, сделанных космическими аппаратами «Галилео» и «Клементина», обнаружили внутри впадины область мафических (темных) глубинных пород диаметром около 1400 км. Поверхностные породы в этой области выделяются аномально низким для материковых районов значением отношения отражательной способности на 0,41мкм и 0,76мкм.

Обращает на себя внимание тот факт, что с этой депрессией совпадает протяженная отрицательная аномалия силы тяжести. Последнее обстоятельство крайне необычно, поскольку круговые депрессии на поверхности видимого полушария Луны, заполненные мафическими породами (круговые моря), наоборот совпадают с областями, имеющими крупные положительные гравитационные аномалии. Область гигантской депрессии окружена кольцом пород, имеющих иные спектральные характеристики. По фотометрическим измерениям на снимках серии «Зонд» эта область характеризуется большей зрелостью грунта, т. е. высокой степенью переработки покровного вещества в результате микрометеоритной бомбардировки. Зрелость лунного грунта тесно коррелирует с его экспозиционным возрастом (временем пребывания лунного вещества в самом верхнем слое, открытым воздействию окружающего космического пространства). Возможно, рассматриваемая область соответствует выходу на поверхность слоя пород, располагавшегося между глубинным мафическим материалом и верхним слоем полевошпатового материала типичных лунных материков.

Обобщая все известные теперь сведения об одном из самых крупных и самых древних образований Луны, можно предположить, что мы видим след гигантского столкновения молодой Луны с довольно крупным телом. Событие столь грандиозного масштаба должно было в буквальном смысле слова потрясти весь лунный шар: ведь размеры оставшейся после удара впадины превышают лунный радиус. Даже если глубина такого кратера составляла существенно меньше одной десятой его диаметра, удар должен был проникнуть до границы коры и мантии. В этом случае объяснимо появление внутри впадины значительного количества мафических пород, составляющих верхнюю мантию Луны, и обнажение вышележащих слоев литосферы.

Вызывает удивление и другое -- «запас прочности» молодой Луны, благополучно пережившей этот почти смертельный удар и сумевшей уцелеть, не развалившись на множество осколков. Подобные следы гигантских ударов (меньших масштабов) были обнаружены и на поверхности некоторых спутников планет-гигантов. Разнообразные исследования наиболее близкого к Земле небесного тела подтвердили существование следа древнейшей катастрофы на поверхности нашей соседки -- Луны. Оценки энергии взрыва, необходимой для образования столь крупной ударной структуры, показывают, что упавшее космическое тело могло достигать в поперечнике около 200 км.

Некоторое время назад была высказана и получила широкое распространение интересная гипотеза об ударном происхождении самой Луны, когда тело величиной с Марс косым ударом вырвало «кусок» Земли, раздробившийся на множество осколков, из которых путем последующей аккреции и возник единственный, необычно крупный спутник нашей планеты. Возможно, что бассейн в южной части обратной стороны Луны появился, когда один из последних осколков-спутников Земли перестал существовать, столкнувшись с Луной.

Лед на Луне? Безводная среда Луны является фактом достаточно очевидным и подтверждаемым не только косвенными, но и прямыми исследованиями, включая лабораторный анализ многих образцов лунного вещества, доставленных на Землю. В то же время, радиолокационные измерения, проведенные в апреле 1994 г. с борта аппарата «Клементина», находившегося на окололунной орбите, показали, что в постоянно затененной области на южном полюсе Луны присутствует поверхностный материал, радиолокационные характеристики которого соответствуют параметрам льда. Площадь области с необычными свойствами составляет 6361 км2. Результаты этих исследований стали научной сенсацией.

Сохранение льда в лунных условиях можно объяснить только тем, что исследованная область располагается в зоне постоянного затенения, где температура поверхности не может быть выше 90К. Но откуда первоначально появился лед на безводной, лишенной атмосферы Луне? Одним из гипотетических источников может быть дегазация лунных недр. Однако, все сведения о подобных процессах на Луне в основном ограничиваются очень скудными фактами, общими предположениями и догадками. Более реально рассмотреть вариант внешнего, экзогенного происхождения лунного льда.

В различных областях лунного шара можно наблюдать альбедные аномалии, так называемые диффузные структуры, которые абсолютно не выражены в рельефе и оставляют странное впечатление рисунка, образованного окраской самого поверхностного слоя. Странны для Луны и контуры этих структур. На поверхности тела, никогда не имевшего заметной газовой оболочки, остались яркие следы в виде петель, завитков и т.п. Не случайно в английском языке для обозначения диффузных образований был принят термин «swirls», что значит «завихрения», «клубы дыма».

Среди разных моделей происхождения подобных альбедных аномалий наиболее убедительной кажется версия контакта лунной поверхности с газопылевой комой пролетающих или падающих на Луну комет. В результате такого контакта происходит уплотнение верхнего слоя лунного грунта, что приводит к увеличению его отражательной способности. В этом случае причудливый рисунок на лунной поверхности могут оставить неоднородности в плотных областях комы и выбросы газовых струй из ядра (джеты). По-видимому, в большинстве случаев кометы, столкнувшиеся с Луной, первоначально пролетают вблизи Земли, что приводит к разрушению их ядер на множество фрагментов. Тогда на лунную поверхность падает не монолитное тело (пусть даже малой плотности), а только облако мелких осколков, окруженное газовой оболочкой. Чтобы уплотнить лунный поверхностный слой в достаточной степени для образования альбедной аномалии с достаточно крупными размерами, падающая комета должна иметь соответствующие размеры ядра и комы и соответствующую скорость соударения. Решая обратную задачу, по характеристикам конкретной диффузной структуры оценивают параметры упавшего кометного тела. Попытаемся оценить реальную массу льда, снега или инея, которая в виде распавшейся кометы падает на лунную поверхность.

Наиболее близко к южному полюсу расположена упомянутая выше диффузная структура в Море Мечты, общая площадь которой достигает 50155 км2. Для того, чтобы возникла подобная альбедная аномалия, падающая комета должна была бы иметь размеры ядра около 200 км и скорость падения около 40 -- 50 км/с, при скорости газо-пылевой эмиссии из ядра, равной 4,5х10-5 г/см2с, и первоначальной плотности ядра 0,6 г/см3. Эти реальные для кометных тел параметры были определены в процессе исследования кометы Галлея космическими аппаратами «Вега» и «Джотто». Несмотря на то, что размеры ядра кометы Галлея существенно меньше (примерно 14 х 7,5 х 7,5 км), для моделирования общих процессов, происходящих в кометах, можно воспользоваться приведенными выше значениями.

Даже если размеры ядра гипотетической кометы будут вдвое меньше, на лунную поверхность обрушится 3,15х1020 г кометного вещества, в котором доля льда, по-видимому, составит 2,5х1020 г (80%). Энергия взрыва, соответствующая кинетической энергии падающего тела, будет равна приблизительно 1033 эрг. Этой энергии достаточно, чтобы не только полностью испарить вещество кометного ядра, но и разрушить межмолекулярные связи. Вместе с тем, произойдет образование ударно-синтезированных газов, в числе которых будут и водяные пары.

Примем экстремальные условия ударного процесса, когда температура в эпицентре взрыва может достигать, например, 2000 К. Но даже и в этом случае тепловая скорость молекул воды в облаке пара, в который превратится кометный лед, не превысит 1,6 км/с. Эта величина меньше параболической скорости для Луны (2,38 км/с) и почти равна круговой скорости (1,68 км/с). Следовательно, значительная масса возникшего водяного пара будет растекаться по поверхности, обволакивая лунный шар. Возникнет временная лунная атмосфера с возможным давлением до десятых долей бара. Время естественной тепловой диссипации подобной атмосферы может составлять 3 -- 4 земных дня на освещенном Солнцем полушарии Луны. Но на темной, ночной стороне Луны (или в затененных местах), где температура поверхности не превышает 100 К, тепловые скорости молекул Н2О упадут до величины около 0,3 -- 0,4 км/с, то есть не исключено образование на поверхности слоя водного льда. Конечно, с наступлением лунного дня этот лед полностью испарится. Однако, в постоянно затененных местах ледяной слой не только сохранится, но будет постоянно наращиваться за счет новых падений комет. По различным оценкам на лунную поверхность может осесть от 0,1 до 0,001 массы упавшей кометы, что соответствует примерно миллиметровому слою льда, сохранившегося в постоянно затененных местах.

Исходя из анализа диффузных структур, сохранившихся на лунной поверхности, можно говорить приблизительно о десяти падениях гигантских комет на Луну за последние 10 млн. лет. Но вечно затененная впадина на южном полюсе существует, возможно, около 4 млрд. лет. Поэтому неудивительно, если обнаруженный на южном полюсе ледяной слой может иметь мощность на несколько порядков большую, чем та, что приведена выше.

Из анализа диффузных структур вытекает также вывод о посещении околоземного пространства роем необычных, гигантских комет, двигавшихся с большими скоростями. Большие размеры и высокая скорость характерны для «новых» комет, приходящих с окраин Солнечной системы, например, из Пояса Койпера -- сравнительно недавно обнаруженного скопления кометоподобных транснептуновых тел на расстоянии от 30 до 50 а.е. от Солнца. В настоящее время открыто около 30 объектов, размеры которых превышают 100 км. По предварительным оценкам в Поясе Койпера могут находиться 104 -- 105 гигантских комет с размерами ядер от 100 до 400 км.

Таким образом, не исключено, что неожиданно найденный лунный лед является веществом загадочных транснептуновых объектов, по странной прихоти совершивших путешествие через всю Солнечную систему.

Если посещение окрестностей Земли гипотетическими транснептуновыми телами пока требует дополнительного подтверждения, то обмен веществом между Луной и Землей, а также между Марсом и Землей является уже свершившимся фактом. Помимо образцов лунных пород, доставленных на Землю с поверхности Луны автоматическими станциями и космическими кораблями, насчитывается 15 фрагментов лунного вещества общей массой 2074 г., попавших на нашу планету естественным путем в виде метеоритов. Лунное происхождение их подтверждается тем, что по структурным, минералогическим, геохимическим и изотопным характеристикам данные метеориты идентичны хорошо изученным в земных лабораториях лунным породам.

Влияние Луны на приливы и отливы

Гравитационные силы между Землёй и Луной вызывают некоторые интересные эффекты. Наиболее известный из них -- морские приливы и отливы. Гравитационное притяжение Луны более сильное на той стороне Земли, которая повёрнута к Луне, и более слабое на противоположной стороне. Поэтому поверхность Земли, и особенно океаны, вытягиваются по направлению к Луне. Если бы мы взглянули на Землю со стороны, мы увидели бы две выпуклости, и обе они направлены в сторону Луны, но находятся на противоположных сторонах Земли. Этот эффект намного более силён в океанской воде, чем в твёрдой коре, так что выпуклость воды больше. А так как Земля вращается намного быстрее, чем Луна перемещается по своей орбите, перемещение выпуклостей вокруг Земли один раз за день даёт две высших точки прилива.

Гипотезы возникновения

Гипотезы и факты

Любая рассматриваемая модель образования Луны должна не только соответствовать физическим законам, но и объяснять следующие обстоятельства:

Средняя плотность Луны составляет 3,3 г/см3, значительно уступая средней плотности Земли -- 5,5 г/см3. Причина -- у Луны очень маленькое железо-никелевое ядро -- оно составляет всего 2-3% от общей массы спутника (по данным миссии NASA «Lunar Prospector»). Металлическое ядро Земли составляет около 30% массы планеты.

Помимо дефицита железа, Луна имеет весьма низкое, по сравнению с Землей, содержание легколетучих элементов, таких, как водород, азот, фтор, инертные газы. И напротив, на Луне наблюдается некоторый излишек относительно тугоплавких элементов, например, титана, урана и тория.

Породы лунной коры и породы земной коры и мантии практически идентичны по соотношению стабильных изотопов кислорода 16O, 17O, 18O (это соотношение иногда называют «кислородной подписью»). Для сравнения, метеориты из разных частей Солнечной системы (в том числе и т. н. марсианские метеориты) имеют совершенно другие соотношения изотопов кислорода. Такая идентичность свидетельствует о том, что Земля и Луна (или, как минимум, поверхность Луны) сформировались из одного слоя планетезималей -- на одинаковом расстоянии от Солнца.

Луна имеет мощную прочную кору толщиной в 60-80 километров (в несколько раз толще земной коры), образованную из анортозитовых пород -- продуктов плавления лунной мантии. Поэтому полагают, что Луна когда-то была нагрета до полного расплавления. Земля, как считается, никогда не была полностью расплавленной.

Луна и Земля имеют необычно высокое, соотношение масс спутника и планеты, равное 1/81, в сравнении с остальными спутниками планет Солнечной системы. (Выше -- только у Харона и Плутона, но Плутон, как известно, уже планетой не является);

Система Луна-Земля обладает необычно высоким угловым моментом импульса (уступая, опять же, только системе Харон-Плутон).

Плоскость орбиты Луны (наклон 5° к эклиптике) не совпадает с экваториальной плоскостью Земли (наклон 23,5° к эклиптике).

Итак, были выдвинуты следующие гипотезы:

Гипотеза центробежного разделения: от быстро вращающейся прото-Земли под действием центробежных сил отделился кусок вещества, из которого затем сформировалась Луна. (Эту гипотезу в шутку называют «дочерней»). Гипотеза захвата: Земля и Луна сформировались независимо, в разных частях Солнечной системы. Когда Луна проходила близко к земной орбите, она была захвачена гравитационным полем Земли и стала спутником Земли. (Эту гипотезу в шутку называют «супружеской»).

Гипотеза совместного формирования: Земля и Луна сформировались одновременно, в непосредственной близости друг от друга. (В шутку -- «сестринская» гипотеза). Гипотеза испарения: из расплавленной прото-Земли были выпарены в пространство значительные массы вещества, которое затем остыло, сконденсировалось на орбите и образовало прото-Луну.

Гипотеза многих лун: несколько маленьких лун были захвачены гравитацией Земли, затем они столкнулись друг с другом, разрушились, и из их обломков сформировалась нынешняя Луна.

Гипотеза столкновения: прото-Земля столкнулась с другим небесным телом, а из выброшенного при столкновении вещества сформировалась Луна.

Рассмотрение гипотез

До полетов «Аполлонов» основными в научном мире считались три гипотезы образования Луны: центробежного отделения, захвата, совместной аккреции. В англоязычной литературе их называют «Большой тройкой» (англ. The Big Three).

Гипотеза центробежного отделения

Гипотезу отделения Луны от Земли впервые выдвинул Джордж Дарвин (George Howard Darwin), сын знаменитого Чарльза Дарвина, в 1878 году. Он предположил, что после образования молодой Земли она вращалась с очень высокой скоростью. Под действием центробежных сил планета стала настолько вытянутой по экватору, что от неё оторвался крупный кусок вещества (возможно, этому способствовали приливные силы Солнца). Из этого вещества впоследствии образовалась Луна. Эту гипотезу поддержал в 1882 году геолог Осмонд Фишер (Osmond Fisher): по его мнению, бассейн Тихого океана образовался именно на том месте, где оторвалась от Земли будущая Луна. Гипотеза Дарвина-Фишера приобрела большую популярность и оставалась общепринятой в начале 20-го века.

Соображения за и против

Отрыв вещества от чрезмерно растянутого экваториального выступа хорошо объясняет имеющийся размер Луны.

Этой гипотезе так же хорошо соответствует и меньшая плотность Луны, поскольку она соответствует плотности земной мантии. Современные данные подтверждают и факт более быстрого вращения Земли в далеком прошлом (см. приливное ускорение Луны).

Однако, требуемая для центробежного отрыва скорость вращения чрезмерно велика (один оборот Земли за 1-2 часа). Момент импульса вращения Земли в таком случае должен был в 3-4 раза превышать нынешний момент импульса системы Луна-Земля (который и без того необычно высок). Появление у сформировавшейся Земли такого момента импульса вращения невозможно объяснить, как невозможно объяснить и его последующее исчезновение.

Дефицит летучих элементов в лунном веществе не вписывается в данную гипотезу. К тому же, современная теория тектоники литосферных плит считает, что тихоокеанский бассейн в его нынешнем виде существует всего около 70 миллионов лет, и никак не мог образоваться при отрыве вещества от Земли.

Гипотеза захвата

Гипотезу захвата первым выдвинул в 1909 году американский астроном Томас Джефферсон Джексон Си (Thomas Jefferson Jackson See). По этой гипотезе, Луна сформировалась как независимая планета где-то в Солнечной системе, а затем в результате неких пертурбаций перешла на эллиптическую орбиту, пересекающуюся с орбитой Земли. При очередном сближении с Землей, Луна была захвачена гравитацией Земли и стала её спутником.

Соображения за и против

Захват Луны земной гравитацией мог бы хорошо объяснить высокий момент импульса системы Луна-Земля. Но результаты моделирования показывают, что вероятность захвата Землей пролетающего тела с массой Луны ничтожно мала. Гораздо более вероятно, что пролетающая планета столкнулась бы с Землей, или наоборот, была бы отброшена гравитацией Земли далеко за пределы земной орбиты. Вариант с возможным захватом требует прохождения Луны на расстоянии меньше предела Роша, то есть Луна, возможно, была бы разорвана действием приливных сил.

Если бы захват все-таки произошел, то Луна, скорее всего, обращалась бы вокруг Земли в противоположном (ретроградном) направлении (как это наблюдается у захваченных лун Юпитера), и по сильно вытянутой эллиптической орбите.

Малая плотность Луны и отсутствие у неё железного ядра могут быть объяснены, если предположить, что Луна сформировалась за пределами зоны планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Но тогда невозможно объяснить дефицит летучих элементов, которые есть в изобилии в зоне планет-гигантов. Трудно найти в Солнечной системе подходящую область с дефицитом и того, и другого.

Идентичность соотношения изотопов кислорода на Луне и на Земле совершенно не вписывается в данную гипотезу.

Свою версию гипотезы захвата -- с разрушением захваченной планеты приливными силами Земли -- предложили в 1989 году О. Г. Сорохтин и С. А. Ушаков. По их теории, планета с соседней орбиты, названная Протолуной, была захвачена Землей и перешла на околоземную орбиту. Поскольку новый спутник обращался быстрее вращения планеты, интенсивные приливные силы притягивали его к Земле (одновременно «раскручивая» Землю). Наконец, новообретенный спутник приблизился на расстояние предела Роша и начал разрушаться. Вещество с Протолуны по спирали устремилось к Земле. Затем спутник был практически разорван, его железное ядро упало на Землю, а значительная часть вещества коры осталась на орбите. Из этого обломка начала формироваться Луна, обретая сферическую форму и удаляясь от Земли.

Последнее место гипотезы выглядит слабым: почему Луна стала удаляться от Земли, если до этого Протолуна обращалась быстрее периода вращения Земли и приливные силы Земли тормозили её, приближая к Земле? Неясно также, почему на Землю упало именно железное ядро, а не вещество коры. И наконец, сама возможность столь удачного и «плавного» захвата соседней планеты по-прежнему выглядит крайне маловероятной.

Гипотеза совместного формирования (совместной аккреции)

Впервые подобную гипотезу представил Иммануил Кант в труде по космогонии, в 1755 году. Он предположил, что все небесные тела появились в результате сжатия пылевого облака, а Луна и Земля сформировались вместе, из одного пылевого сгустка: сначала Земля, потом, из оставшегося вещества, Луна. Большим сторонником гипотезы совместной аккреции был знаменитый астроном Эдуард Рош (Йdouard Albert Roche). В Советском Союзе гипотезу коаккреции активно разрабатывала школа О. Ю. Шмидта (В. С. Сафронов, Е. Л. Рускол и др.). До 1970-х годов гипотеза совместной аккреции считалась наиболее проработанной.

Гипотеза предполагает, что Земля и Луна просто «выросли» на одной орбите как двойная планета, из первоначального протопланетного роя твердых частиц. Первой начала формироваться прото-Земля. Когда она набрала достаточную массу, частицы из протопланетного роя захватывались её притяжением и начинали вращаться вокруг зародыша планеты, по самостоятельным эллиптическим орбитам. Из этих частиц образовался собственный околопланетный рой. Частицы роя сталкивались между собой, некоторые теряли скорость и падали на прото-Землю. Орбиты других усреднялись между собой -- рой приобретал орбиту, близкую к круговой. Затем из этого роя начали формироваться зародыши будущего спутника, Луны.

Соображения за и против

Если Земля и Луна формировались в непосредственной близости, то идентичность кислородно-изотопного соотношения легко объясняется. Но тогда совершенно непонятными становятся отличия в плотности двух тел, а также дефицит железа и летучих элементов на Луне.

По словам Уильяма Хартмана, "трудно представить, что два небесных тела вырастают рядом из одного орбитального слоя вещества, но при этом одно из них забирает всё железо, а второе остается практически без него".

Сторонники гипотезы объясняют это тем, что куски вещества роя при столкновениях дробились, затем тяжелые железные частицы выпадали на Землю, а силикатная пыль оставалась на орбите. Такое объяснение вряд ли можно признать удовлетворительным: для этого практически все частицы роя должны были предварительно разрушиться до состояния пыли.

Сходным образом в этой гипотезе объясняется и дефицит летучих веществ -- они испарялись при столкновениях и дроблениях частиц роя. Но для этого частицам пришлось бы сталкиваться на высоких относительных скоростях, а ведь они все, как предполагается, обращались в одном направлении. Притом, аналогичный процесс должен был бы происходить и при формировании Земли и других планет земной группы, но результатов этого не наблюдается. Эта гипотеза также не смогла дать вразумительного объяснения ни большому моменту импульса системы Луна-Земля, ни наклону лунной орбиты в 5° к плоскости земной орбиты.

Гипотеза испарения

В 1955 году Эрнст Юлиус Эпик (Ernst Oepik) выдвинул гипотезу, частично соединяющую гипотезы центробежного разделения и совместного образования. По его версии, прото-Земля, окруженная кольцом бомбардировавших её каменных частиц, от постоянных ударов разогрелась до высокой температуры - около 2000°C. Значительные массы вещества были выпарены назад, в околоземное пространство. Солнечный ветер сдул летучие элементы, а более тяжелые компоненты сконденсировались и соединились с материалом вращающихся колец, которые затем слились в один большой кусок вещества -- Луну. Если нагревание Земли произошло на поздней стадии её формирования, то к этому времени тяжелые железные породы уже опустились в ядро, а содержание железа в поверхностных слоях Земли было значительно меньше первоначального.

Соображения за и против

Гипотеза испарения очень хорошо объясняет данные о химическом составе Луны, но не может разрешить ни проблему высокого углового момента импульса, ни проблему наклона лунной орбиты. Геологические данные также не подтверждают столь сильный разогрев Земли на стадии формирования: состав пород земной коры свидетельствует, что Земля никогда не была полностью расплавленной.

Гипотеза многих лун

Гипотезу образования одной большой Луны из нескольких спутников представили в 1960-х годах Томас Голд (Thomas Gold) и Гордон Макдональд (Gordon MacDonald). Их основная идея состояла в том, что Земле гораздо проще было бы захватить по отдельности несколько пролетавших мимо небольших небесных тел, чем одно крупное. Если Земля «поймала» от шести до десяти мелких лун, то их орбиты в дальнейшем могли изменяться приливными силами. На протяжении примерно миллиарда лет луны могли сталкиваться друг с другом, а из их обломков сформировалась бы Луна.

Соображения за и против

Неправдоподобно выглядит сама возможность захвата Землей большого количества спутников с их последующим разрушением. Марс имеет два небольших спутника (Фобос и Деймос), которые до сих пор сосуществуют на околомарсианских орбитах. Венера, масса которой близка к земной, вообще не имеет спутников, как и Меркурий.

Эта гипотеза также не объясняет идентичность изотопно-кислородного состава Луны и Земли.

Гипотеза столкновения

Гипотеза столкновения была предложена Уильямом Хартманом (William K. Hartmann) и Дональдом Дэвисом (Donald R. Davis) в 1975 году. По их предположению, протопланета (её назвали Тейя) размером примерно с Марс столкнулась с прото-Землей на ранней стадии её формирования, когда наша планета имела примерно 90% нынешней массы. Удар пришелся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и начала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.

Соображения за и против

Гипотеза столкновения в настоящее время считается основной (по крайней мере, среди западных ученых), поскольку она хорошо объясняет все известные факты о химическом составе и строении Луны, а также и физические параметры системы Луна-Земля. Первоначально большие сомнения вызывала возможность столь удачного соударения (косой удар, невысокая относительная скорость) такого крупного тела с Землей. Но затем было предположено, что Тейя сформировалась на орбите Земли, в одной из точек Лагранжа системы Земля-Солнце. Такой сценарий хорошо объясняет и низкую скорость столкновения, и угол удара, и нынешнюю, почти точно круговую орбиту Земли.

Уязвимое место гипотезы столкновения: для объяснения дефицита железа на Луне приходится принимать допущение, что ко времени столкновения (4,5 млрд. лет назад) и на Земле, и на Тейе уже произошла гравитационная дифференциация, то есть выделилось тяжелое железное ядро и образовалась легкая силикатная мантия. Однозначных геологических подтверждений этому допущению не найдено.

Размещено на Allbest.ru