L; вътре в луната За наука
Последните космически мисии и числени симулации ни разказват за историята на Луната и условията в най-дълбоките й слоеве.
Лунната повърхност не е претърпяла значителни промени от близо два милиарда години. По този начин космическите мисии, които са го изследвали от началото на 60-те години, ни донесоха богата информация, от която днес можем да черпим сценарии, обясняващи нейното формиране.
„Лицето на луната“ ни е познато отдавна, но едва през ХХ век се научихме да го тълкуваме правилно. Използвайки обикновен бинокъл, наблюдението разкрива, че той се състои от два вида терен. Тъмните, гладки области образуват онова, което древните астрономи наричали „морета“. „Континентите“ на Луната са от своя страна по-лек терен, чиято повърхност е осеяна с кратери от всякакви размери. Тъй като изследването на космоса ни е предоставило изображения и проби от лунната повърхност, можем да добием представа за условията там и да проследим произхода на този малък свят. Днес сценариите, които черпим от тях, ни позволяват да уточним физическите условия, които царуват в сателита ни.
На Луната трансформацията на почвите е много по-бавна, отколкото на Земята. Нашата планета е заобиколена от сложна атмосфера, надарена с различни климатични зони, където растат пустини и тропически гори. Вода, вятър, дъжд, лед и сняг оформят повърхност, изобилстваща от множество животински и растителни видове. Самата земна кора претърпява бавни трансформации: планините се издигат, земите са потопени от морета и континентите бавно се носят. С течение на времето лицето на Земята се променя, тъй като тя е активна планета. На Луната, напротив, няма свободна вода и атмосферата, която се нарича още екзосфера, е изключително тънка: тя е толкова рядка, че ако е била подложена на условията на налягане и температура, преобладаващи на повърхността на Земята, тя би се побрала в обема на голяма къща. Луната също изпитва ниска вулканична активност - както се вижда от няколко купола, видими от Земята - които не са довели до значителни промени (вж. Фигура 2). В резултат на това външният вид на лунната повърхност не се е променил коренно в продължение на милиони години.
Космически мисии
Освен това, благодарение на измерванията на лунното гравитационно поле, ние установихме момента на инерция на Луната. Моментът на инерция на тялото изразява своята съпротива срещу силите, които са склонни да модифицират неговото въртеливо движение, тоест фактът, че това тяло се държи горе-долу като жироскоп. Моментът на инерция на обект като Луната е равен на масата му, умножена по квадрата на радиуса му и по коефициент, който характеризира разпределението на материята около оста на въртене. В случай на хомогенна сфера, въртяща се около ос, минаваща през центъра й, този „форм-фактор“ е равен на 0,4. Колкото по-близо масата е концентрирана до оста на въртене, толкова по-малък е форм-факторът. В случая с Луната е установено, че тя е 0,3931. Той е много малко различен от коефициента на хомогенна сфера, което означава, че плътността на Луната се увеличава малко с дълбочината. За сравнение, форм-факторът на инерционния момент на Земята е 0,3307, поради масивното желязно ядро, намиращо се в недрата на нашата планета. Смята се, че Луната може да има и малко богато на желязо ядро, но радиусът му е не повече от една четвърт от лунния радиус (за разлика от земното ядро, което има радиус от 55 процента от земния радиус).
Когато космическите кораби успяха да кацнат на повърхността на Луната, ние започнахме да измерваме нейната сеизмична активност. Изучавайки времето на пристигане на сеизмичните вълни при различните сеизмографи, инсталирани на лунната повърхност, ние реконструираме пътя на тези вълни вътре в Луната и извеждаме вариацията в тяхната скорост като функция от дълбочината. Тъй като тази скорост зависи от деформируемостта и свиваемостта на пресечените скали, тези данни позволяват да се изследват дълбоките слоеве на Луната и са допринесли за установяването на нейната вътрешна структура (виж фигура 6). Освен това връщането на пробите от скали на Земята коренно промени нашите предположения за произхода на нашия естествен спътник. Всъщност по този повод планетолози откриха, че съставът на лунните скали е почти идентичен със състава на скалите в земната мантия.
Образуването на Луната
Хипотезата за делене може да обясни, че само скалите на земната мантия приличат на тези на Луната. Още през 1878 г. Джордж Дарвин (синът на натуралиста) постулира, че в началото на историята на Земята ще бъде изхвърлено парче от повърхността му и че Тихият океан ще представлява белегът, оставен от това събитие. Тезата на Дарвин беше допълнена от идеята, че въртенето на Земята, много по-бързо в миналото, е довело до екваториална издутина, така че част от материята да може да бъде изхвърлена в космоса. Въпреки това, когато измерваме общия ъглов импулс на системата Земя-Луна, установяваме, че той е твърде малък за такова бързо въртене, което да е било възможно в миналото, освен ако ъгловият импулс оттогава не е намалял, поради „явление неизвестен.
След връщането на лунните проби астрономите се обърнаха към четвърта теория. Смята се, че към края на формирането на Земята преди 4,5 милиарда години малка планета с размерите на Марс (десет пъти по-малка от Земята) се е разбила в нашия свят. Ударът е бил толкова силен, че планетоидът и скалите на горната мантия на Земята са се изпарили. Тъй като Земята вече беше значително диференцирана, по-голямата част от съдържащото се в нея желязо беше концентрирана в сърцевината си и не беше изхвърлена в космоса. Голяма част от изхвърлената материя падна обратно на Земята, за да възстанови мантия, чийто химичен състав беше много подобен на този на скалите, които останаха в орбита. По-късно тези скали образуват гигантски спътник, Луната. Тази хипотеза
обяснява сходството между повърхностните скали на двете звезди; това също обяснява отсъствието на желязо на Луната, както и ниското му съдържание на летливи елементи.
Като част от теорията за удара можем да установим доста точно условията, които са преобладавали вътре в Луната по време на нейното формиране. Натрупването на скалисти частици, кондензирани в облака на орбиталната материя, трябва да е отделило голямо количество топлина: зърната се сблъскват бурно, образувайки все по-големи и по-големи блокове, които падат един върху друг. Когато Луната нарастваше, камъните достигнаха нейната повърхност с нарастваща скорост и тяхната кинетична енергия, трансформирана в топлина, разтопи своята
повърхностни слоеве. Луната е родена покрита с обширен океан от магма, който достига дълбочина от 400 километра. Тази магма скоро се втвърди, тъй като излъчи топлинната си енергия в космоса и пренесе част от нея в по-хладните дълбини на Луната. В разтопените региони тежките елементи се отделят от леките елементи и малко по малко започват да мигрират към центъра. Този механизъм на химическа диференциация беше придружен от голямо освобождаване на енергия, която загряваше по-дълбоките слоеве на Луната. По този начин диференциацията е самоподдържаща се и се разпространява към центъра на звездата. Днес ние вярваме, че младата Луна бързо е придобила малко горещо ядро почти изцяло