Місяць – супутник Землі, Детальна інформація

Поверхня Місяця досить темна, її альбедо дорівнює 0.073, тобто вона відбиває в середньому лише 7.3 % світлових променів Сонця. Візуальна зоряна величина повного Місяця на середній відстані дорівнює - 12.7; вона посилає в повню на Землю в 465 000 разів менше світла, чим Сонце. У залежності від фаз, ця кількість світла зменшується набагато швидше, ніж площа освітленої частини Місяця, так що коли Місяць знаходиться у чверті, і ми бачимо половину її диска світлої, вона посилає нам не 50 %, а лише 8 % світла від повного Місяця Показник кольору місячного світла дорівнює + 1.2, тобто він помітно червоніше сонячного. Місяць обертається щодо Сонця з періодом, рівним синодичному місяцю, тому день на Місяці триває майже 1.5 доба і стільки ж продовжується ніч. Не будучи захищена атмосферою, поверхня Місяця нагрівається вдень до + 110°С, а вночі остигає до -120°С, однак, як показали радіоспостереження, ці величезні коливання температури проникають усередину лише на кілька дециметрів унаслідок надзвичайно слабкої теплопровідності поверхневих шарів. По тій же причині і під час повних місячних затьмарень нагріта поверхня швидко прохолоджується, хоча деякі місця довше зберігають тепло, імовірно, унаслідок великої теплоємності (так звані “гарячі плями”).

Навіть неозброєним оком на Місяці видні неправильні темнуваті протяжні плями, що були прийняті за моря; назва збереглася, хоча і було встановлено, що ці утворення нічого загального з земними морями не мають. Телескопічні спостереження, яким поклали початок у 1610 М. Галилей, дозволили знайти гористу будівлю поверхні Місяця. З'ясувалося, що моря - це рівнини більш темного відтінку, чим інші області, іноді називані континентальними (чи материковими), що буяють горами, більшість яких має кільцеподібну форму (кратери). За багаторічними спостереженнями були складені докладні карти Місяця. Перші такі карти видав у 1647 Я. Гевелий у Ланцеті (Гданьск). Зберігши термін “моря”, він привласнив назви також і найголовнішим місячним хребтам - по аналогічним земним утворенням: Апенніни, Кавказ, Альпи. Дж. Риччоли в 1651 дав великим темним низинам фантастичні назви: Океан Бур, Море Криз, Море Спокою, Море Дощів і так далі, що менше примикають до морів темні області він назвав затоками, наприклад, Залив Веселки, а невеликі неправильні плями - болотами, наприклад Болото Гнили. Окремі гори, головним чином кільцеподібні, він назвав іменами видатних учених: Коперник, Кеплер, Тихо Бразі й іншими. Ці назви збереглися на місячних картах і понині, причому додано багато нових імен видатних людей, учених більш пізнього часу. На картах зворотної сторони Місяця, складених за спостереженнями, виконаним з космічних зондів і штучних супутників Місяця, з'явилися імена К. Э. Ціолковського, С. П. Корольова, Ю. А. Гагаріна й інших. Докладні і точні карти Місяця були складені за телескопічними спостереженнями в 19 столітті німецькими астрономами И. Медлером, Й. Шмидтом і ін. Карти складалися в ортографической проекції для середньої фази лібрації, тобто приблизно такими, який Місяць видний із Землі. У кінці 19 століття почалися фотографічні спостереження Місяця.

У 1896-1910 великий атлас Місяця був виданий французькими астрономами М. Леви і П. Пьюзе по фотографіях, отриманим на Паризькій обсерваторії; пізніше фотографічний альбом Місяця виданий Лікскою обсерваторією в США, а в середині 20 століття Дж. Койпер (США) склав кілька детальних атласів фотографій Місяця, отриманих на великих телескопах різних астрономічних обсерваторій. За допомогою сучасних телескопів на Місяці можна помітити, але не розглянути кратери розміром близько 0,7 кілометрів і тріщини шириною в перші сотні метрів.

Рельєф місячної поверхні.

Рельєф місячної поверхні був в основному з'ясований у результаті багаторічних телескопічних спостережень. “Місячного моря”, що займають близько 40 % видимої поверхні Місяця, являють собою рівнинні низовини, пересічені тріщинами і невисокими звивистими валами; великих кратерів на морях порівняно мало. Багато морів оточені концентричними кільцевими хребтами. Інша, більш світла поверхня покрита численними кратерами, кільцеподібними хребтами, борознами і так далі. Кратери менш 15-20 кілометрів мають просту чашоподібну форму, більш великі кратери (до 200 кілометрів) складаються з округлого вала з крутими внутрішніми схилами, мають порівняно плоске дно, більш заглиблене, чим навколишня місцевість, часто з центральною гіркою. Висоти гір над навколишньою місцевістю визначаються по довжині тіней на місячній чи поверхні фотометричним способом. Таким шляхом були складені гіпсометричні карти масштабу 1:1000000 на велику частину видимої сторони. Однак абсолютні висоти, відстані крапок поверхні Місяця від центра чи фігури маси Місяця визначаються дуже непевно, і засновані на них гіпсометричні карти дають лише загальне представлення про рельєф Місяця. Набагато докладніше і точніше вивчений рельєф крайової зони Місяця, що, у залежності від фази лібрації, обмежує диск Місяця. Для цієї зони німецький учений Ф. Хайн, радянський вчений А. А. Нефедьєв, американський учений Ч. Уотс склали гіпсометричні карти, що використовуються для обліку нерівностей краю Місяця при спостереженнях з метою визначення координат Місяця (такі спостереження виробляються меридіанними колами і по фотографіях Місяця на тлі навколишніх зірок, а також за спостереженнями покрить зірок). Мікрометричними вимірами визначені стосовно місячного екватора і середнього меридіана Місяця селенографічні координати декількох основних опорних крапок, що служать для прив'язки великого числа інших крапок поверхні Місяця. Основною вихідною точкою при цьому є невеликої правильної форми і добре видимий біля центра місячного диска кратер Местинг. Структура поверхні Місяця був в основному вивчена фотометричними і поляриметричними спостереженнями, доповненими радіоастрономічними дослідженнями.

Кратери на місячній поверхні мають різний відносний вік: від древніх, ледь помітних, сильно перероблених утворень до дуже чітких в обрисах молодих кратерів, іноді оточених світлими “променями”. При цьому молоді кратери перекривають більш древні. В одних випадках кратери врізані в поверхню місячних морів, а в інші - гірські породи морів перекривають кратери. Тектонічні розриви те розсікають кратери і моря, те самі перекриваються більш молодими утвореннями. Ці й інші співвідношення дозволяють установити послідовність виникнення різних структур на місячній поверхні; у 1949 радянський вчений А. В. Хабаков розділив місячні утворення на кілька послідовних вікових комплексів. Подальший розвиток такого підходу дозволило до кінця 60-х років скласти середньомасштабні геологічні карти на значну частину поверхні Місяця. Абсолютний вік місячних утворень відомий поки лише в декількох крапках; але, використовуючи деякі непрямі методи, можна установити, що вік найбільш молодих великих кратерів складає десятки і сотні мільйонів років, а основна маса великих кратерів виникла в “доморський” період, 3-4 млрд. років тому.

В утворенні форм місячного рельєфу брали участь як внутрішні сили, так і зовнішні впливи. Розрахунки термічної історії Місяця показують, що незабаром після її утворення надра були розігріті радіоактивним теплом і значною мірою розплавлені, що привело до інтенсивного вулканізму на поверхні. У результаті утворилися гігантські лавові полючи і деяка кількість вулканічних кратерів, а також численні тріщини, уступи й інше. Разом з цим на поверхню Місяця на ранніх етапах випадала величезна кількість метеоритів і астероїдів - залишків протопланетної хмари, при вибухах яких виникали кратери - від мікроскопічних лунок до кільцевих структур поперечником у багато десятків, а можливо і до декількох сотень кілометрів. Через відсутність атмосфери і гідросфери значна частина цих кратерів збереглася до наших днів. Зараз метеорити випадають на Місяць набагато рідше; вулканізм також в основному припинився, оскільки Місяць витратив багато теплової енергії, а радіоактивні елементи були винесені в зовнішні шари Місяця. Про залишковий вулканізм свідчать витікання вуглецевих газів у місячних кратерах, спектрограми яких були вперше отримані радянським астрономом Н. А. Козирєв.

Походження Місяця.

Походження Місяця остаточно ще не установлено. Найбільш розроблені три різні гіпотези. Наприкінці 19 в. Дж. Дарвін висунув гіпотезу, відповідно до якої Місяць і Земля спочатку складали одну загальну розплавлену масу, швидкість обертання якої збільшувалася в міру її остигання і стиску; у результаті ця маса розірвалася на двох частин: велику - Землю і меншу - Місяць. Ця гіпотеза пояснює малу щільність Місяця, утвореної з зовнішніх шарів первісної маси. Однак вона стикається із серйозними запереченнями з погляду механізму подібного процесу; крім того, між породами земної оболонки і місячних порід є істотні геохімічні розходження.

Гіпотеза захоплення, розроблена німецьким ученим К. Вейцзеккером, шведським ученим Х. Альфвеном і американським ученим Г. Юри, припускає, що Місяць спочатку був малою планетою, що при проходженні поблизу Землі в результаті впливу тяжіння останньої перетворилася в супутник Землі. Імовірність такої події дуже мала, і, крім того, у цьому випадку варто було б очікувати більшого розходження земних і місячних порід.

Відповідно до третьої гіпотези, що розроблялася радянськими вченими - О. Ю. Шмидтом і його послідовниками в середині 20 століття, Місяць і Земля утворилися одночасно шляхом об'єднання й ущільнення великого роя дрібних часток. Але Місяць у цілому має меншу щільність, чим Земля, тому речовина протопланетного хмари повинна було розділитися з концентрацією важких елементів у Землі. У зв'язку з цим виникло припущення, що першої початку формуватися Земля, оточена могутньою атмосферою, збагаченої відносно летучими силікатами; при наступному охолодженні речовина цієї атмосфери скондесувалося в кільце планетезималей, з яких і утворився Місяць. Остання гіпотеза на сучасному рівні знань (70-і роки 20 століття) представляється найбільш кращої.

Новий етап дослідження Місяця.

Не дивно, що перший політ космічного апарата вище навколоземної орбіти був спрямований до Місяця. Ця честь належить радянському космічному апарату "Місяць-l", запуск якого був здійснений 2 січня 1958 року. Відповідно до програми польоту через кілька днів він пройшов на відстані 6000 кілометрів від поверхні Місяця. Пізніше в тому ж році, у середині вересня подібний апарат серії "Місяць" досяг поверхні природного супутника Землі.

Ще через рік, у жовтні 1959 року автоматичний апарат "Місяць-3", оснащений апаратурою для фотографування, провів зйомку зворотної сторони Місяця (близько 70 % поверхні) і передав її зображення на Землю. Апарат мав систему орієнтації з датчиками Сонця і Місяця і реактивних двигунів, що працювали на стиснутому газі, систему керування і терморегулювання. Його маса 280 кілограм. Створення "Місяця-3" було технічним досягненням для того часу, принесло інформацію про зворотну сторону Місяця: виявлені помітні розходження з видимою стороною, насамперед відсутність протяжних місячних морів.

У лютому 1966 року апарат "Місяць-9" доставив на Місяць автоматичну місячну станцію, що зробила м'яку посадку і передала на Землю кілька панорам прилеглої поверхні - похмурої кам'янистої пустелі. Система керування забезпечувала орієнтацію апарата, включення гальмової ступіні по команді від радіолокатора на висоті 75 кілометрів над поверхнею Місяця і відділення станції від її безпосередньо перед падінням. Амортизація забезпечувалася надувним гумовим балоном. Маса "Місяця-9" близько 1800 кілограм, маса станції близько 100 кілограм.

Наступним кроком у радянській місячній програмі були автоматичні станції "Місяць-16, -20, -24" , призначені для забору ґрунту з поверхні Місяця і доставки його зразків на Землю. Їхня маса була близько 1900 кілограм. Крім гальмової рухової установки і посадкового пристрою, до складу станцій входили грунтозабірний пристрій, злітна ракетна ступінь з апаратом, що повертається, для доставки ґрунту. Польоти відбулися в 1970, 1972 і 1976 роках, на Землю були доставлені невеликі кількості ґрунту.

Ще одну задачу вирішували "Луна-17, -21" (1970, 1973 року). Вони доставили на Місяць самохідні апарати - місяцеходи, керовані з Землі по стереоскопічному телевізійному зображенню поверхні. "Місяцехід- 1 " пройшов шлях близько 10 кілометрів за 10 місяців, "Місяцехід-2" - близько 37 кілометрів за 5 мес. Крім панорамних камер на місяцеходах були встановлені: грунтозабірний пристрій, спектрометр для аналізу хімічного складу ґрунту, вимірник шляху. Маси місяцеходів 756 і 840 кг.

Космічні апарати "Рейнджер" розроблялися для одержання знімків під час падіння, починаючи з висоти близько 1600 кілометрів до кількох сотень метрів над поверхнею Місяця. Вони мали систему тривісної орієнтації і були оснащені шістьма телевізійними камерами. Апарати при посадці розбивалися, тому одержувані зображення передавалися відразу ж, без запису. Під час трьох удалих польотів були отримані великі матеріали для вивчення морфології місячної поверхні. Зйомки "Рейнджеров" поклали початок американській програмі фотографування планет.

Конструкція апаратів "Рейнджер" подібна з конструкцією перших апаратів "Маринер", що були запущені до Венери в 1962 році. Однак подальше конструювання місячних космічних апаратів не пішло цим шляхом. Для одержання докладної інформації про місячну поверхню використовувалися інші космічні апарати - "Лунар Орбитер". Ці апарати з орбіт штучних супутників Місяця фотографували поверхня з високим дозволом.

Одна з цілей польотів складалася в одержанні високоякісних знімків із двома дозволами, високим і низької, з метою вибору можливих місць посадки апаратів "Сервейор" і "Аполлон" за допомогою спеціальної системи фотокамер. Знімки виявлялися на борті, сканувалися фотоелектричним способом і передавалися на Землю. Число знімків обмежувалося запасом плівки (на 210 кадрів). У 1966-1967 роках було здійснено п'ять запусків "Лунар орбитер" (всі успішні). Перші три "Орбитера" були виведені на кругові орбіти з невеликим нахиленням і малою висотою; на кожнім з них проводилася стереосъемка обраних ділянок на видимій стороні Місяця з дуже високим дозволом і зйомка великих ділянок зворотної сторони з низьким дозволом. Четвертий супутник працював на набагато більш високій полярній орбіті, він вів зйомку всієї поверхні видимої сторони, п'ятий, останній "Орбитер" вів спостереження теж з полярної орбіти, але з менших висот. "Лунар орбитер-5" забезпечив зйомку з високим дозволом багатьох спеціальних мет на видимій стороні, здебільшого на середніх широтах, і зйомку значної частини зворотної з малим дозволом. У кінцевому рахунку зйомкою із середнім дозволом була покрита майже вся поверхня Місяця, одночасно йшла цілеспрямована зйомка, що мало неоціненне значення для планування посадок на Місяць і її фотогеологічні дослідження.

Додатково було проведене точне картирование гравітаційного полючи, при цьому минулому виявлені регіональні концентрації мас (що важливо і з наукового погляду, і для цілей планування посадок) і встановлений значний зсув центра мас Місяця від центра її фігури. Вимірялися також потоки радіації і мікрометеоритів.

Апарати "Лунар орбитер" мали систему тривісної орієнтації, їхня маса складала близько 390 кілограмів. Після завершення картографування ці апарати розбивалися об місячну поверхню, щоб припинити роботу їхніх радіопередавачів.

Польоти космічних апаратів "Сервейор", що призначалися для одержання наукових даних і інженерної інформації (такі механічні властивості, як, наприклад, несуча здатність місячного ґрунту), внесли великий вклад у розуміння природи Місяця, у підготовку посадок апаратів "Аполлон".

Автоматичні посадки з використанням послідовності команд, керованих радаром із замкнутим контуром, були великим технічним досягненням того часу. "Сервейори" запускалися за допомогою ракет "Атлас-Центавр" (криогенні верхні ступіні "Атлас" були іншим технічним успіхом того часу) і виводилися на перелітні орбіти до Місяця. Посадкові маневри починалися за 30 - 40 хвилин до посадки, головний гальмовий двигун уключався радаром на відстані близько 100 кілометрів до крапки посадки. Кінцевий етап (швидкість зниження близько 5 м/с) проводився після закінчення роботи головного двигуна і скидання його на висоті 7500 метрів. Маса "Сервейора" при запуску складала близько 1 тонни і при посадці - 285 кілограм. Головний гальмовий двигун являв собою твердопаливну ракету масою близько 4 тонн Космічний апарат мав тривісну систему орієнтації.

Прекрасний інструментарій уключав двох камер для панорамного огляду місцевості, невеликий ківш для риття траншеї в ґрунті і (в останніх трьох апаратах) альфа-аналізатор для виміру зворотного розсіювання альфа - часток з метою визначення елементного складу ґрунту під посадковим апаратом. Ретроспективно результати хімічного експерименту багато чого прояснили в природі поверхні Місяця і її історій. П'ять із семи запусків "Сервейорів" були успішними, усі опустилися в екваторіальній зоні, крім останнього, котрий сіл у районі викидів кратера Тихо на 41° ю.ш. "Сервейор-6" був у деякому змісті піонером - першим американським космічним апаратом, запущеним з іншого небесного тіла (але всього лише до другого місця посадки в декількох метрах осторонь від першого).

Пілотовані космічні апарати "Аполлон" були наступними в американській програмі досліджень Місяця. Після "Аполлона" польоти на Місяць не проводилися. Ученим довелося задовольнятися продовженням обробки даних від автоматичних і пілотованих польотів у 1960 - е і 1970 - е роки. Деякі з них передбачали експлуатацію місячних ресурсів у майбутньому і направили свої зусилля на розробку процесів, що змогли б перетворити місячний ґрунт у матеріали, придатні для будівництва, для виробництва енергії і для ракетних двигунів. При плануванні повернення до досліджень Місяця без сумніву знайдуть застосування як автоматичні, так і пілотовані космічні апарати.

Людина на Місяці.

Робота над цією програмою почалася в США наприкінці 60 - х років. Було прийняте рішення здійснити політ людини на Місяць і його успішне повернення на Землю протягом найближчих десяти років. Улітку 1962 року після тривалих дискусій прийшли до висновку, що найбільш ефективним і надійним способом є вивід на навколомісяцеву орбіту комплексу в складі командно - обчислювального модуля, до складу якого входять командний і допоміжний модулі, і місячного посадкового модуля. Першочерговою задачею було створення ракети носія, здатної вивести не менш 300 тонн на навколоземну орбіту і не менш 100 тонн на навколомісяцеву орбіту. Одночасно велася розробка космічного корабля “Аполлон”, призначеного для польоту американських астронавтів на Місяць. У лютому 1966 року “Аполлон” був випробуваний у безпілотному варіанті. Однак те, що відбулося 27 січня 1967 року, перешкодило успішному проведенню програми в життя. У цей день астронавти Э. Уайт, Р. Гаффи, В. Гриссом загинули при спалаху полум'я під час тренуванню на Землі. Після розслідування причин іспити відновилися й ускладнилися. У грудні 1968 року “Аполлон - 8 (ще без місячної кабіни) був виведений на селеноцентрическую орбіту з наступним поверненням в атмосферу Землі з другою космічною швидкістю. Це був пілотований політ навколо Місяця. Знімки допомогли уточнити місце майбутньої посадки на Місяць людей. 16 липня “Аполлон - 11” стартував до Місяця і 19 липня вийшов на місячну орбіту. 21 липня 1969 на Місяці уперше висадилися люди - американські астронавти Н. Армстронг і Э. Олдрин, доставлені туди космічним кораблем "Аполлон-11. Космонавти доставили на Землю кілька сотень кілограмів зразків і провели на Місяці ряд досліджень: виміру теплового потоку, магнітного полючи, рівня радіації, інтенсивності і складу сонячного вітру (потоку часток, що приходять від Сонця). Виявилося, що тепловий потік з надр Місяцю приблизно втроє менше, ніж з надр Землі. У породах Місяця виявлена залишкова намагніченість, що вказує на існування в Місяця в минулому магнітного полючи. На Місяці були залишені прилади, що автоматично передають інформацію на Землю, у сейсмометри, що реєструють коливання в тілі Місяця. Сейсмометри зафіксували удари від падінь метеоритів і “місяцетрясіння” внутрішнього походження. По сейсмічним даним було встановлено, що до глибини в кілька десятків кілометрів Місяць складений щодо легкою “корою”, а нижче залягає більш щільна “мантія”. Це було видатне досягнення в історії освоєння космічного простору - уперше людин досяг поверхні іншого небесного тіла і пробув на ньому більш двох годин. Слідом за політ корабля “

Аполлон - 11” до Місяця протягом 3.5 - х років було спрямовано шість експедицій (“Аполлон - 12” - “Аполлон - 17”), п'ять з який пройшли цілком успішно. На кораблі “Аполлон - 13” з - за аварії на борті довелося змінити програму польоту, і замість посадки на Місяць був зроблений її обліт і повернення на Землю. Усього на Місяці побувало 12 астронавтів, деякі пробули на Місяці кілька доби, у тому числі до 22 годин поза кабіною, проїхали на самохідному апараті кілька десятків кілометрів. Ними був виконаний досить великий обсяг наукових досліджень, зібрано понад 380 кілограмів зразків місячного ґрунту, вивчення яких займалися лабораторії США й інших країн. Роботи над програмою польотів на Місяць велися й у СРСР, але в силу декількох причин не були доведені до кінця. Тривалість сейсмічних коливань на Місяці в кілька разів більша, ніж на Землі, видимо, зв'язана із сильною тріщинуватістю верхньої частини місячної “кори”.

У листопаду 1970 АМС “Місяць-17” доставила на Місяць у Море Дощів місячний самохідний апарат "Місяцехід-1", що за 11 місячних днів (чи 10.5 місяців) пройшов відстань у 10 540 м і передав велику кількість панорам, окремих фотографій поверхні Місяця й іншу наукову інформацію. Установлений на ньому французький відбивач дозволив за допомогою лазерного променя вимірити відстань до Місяця з точністю до часток метра. У лютому 1972 АМС “Місяць-20” доставила на Землю зразки місячного ґрунту, вперше узяті у важкодоступному районі Місяця. У січні 1973 АМС “Місяць-21” доставила в кратер Лемонье (Море Ясності) “Місяцехід-2” для комплексного дослідження перехідної зони між морськими і материковими рівнинами. “Місяцехід-2” працював 5 місячних днів (4 місяці), пройшов відстань близько 37 кілометрів.