Земля – космос – Луна - Самарий Наумович Минчин

Если основной целью запуска первых трех советских спутников Луны было исследование ее поверхности и окололунного пространства, то научная станция «Луна-14» (запущенная 7 апреля 1968 года) и станция «Луна-19» главной задачей имели: уточнение отношения масс Луны и Земли, гравитационного поля Луны и ее формы методом систематических, длительных наблюдений за изменениями параметров орбиты спутника Луны; получение дополнительной информации для построения более точной теории движения Луны.

К настоящему времени опубликованы лишь результаты обработки материалов, полученных станциями «Луна-10» и частично «Лунар Орбитер», которые дают возможность построить в первом приближении гравитационное поле Луны, вызванное несимметричностью расположения масс и центра тяжести нашей естественной спутницы.

Спутник «Луна-10» функционировал в течение двух лунных месяцев (с 3 апреля по 30 мая 1966 года), что дало возможность проанализировать его движение на протяжении 460 оборотов вокруг Луны.

Изменение орбиты лунного спутника вызывается в основном воздействием Земли, Солнца и нецентральностью поля тяготения Луны. Обработка траекторных измерений позволила – при известных возмущениях со стороны Земли и Солнца – построить гравитационное поле Луны.

Изменение основных параметров орбиты спутника «Луна-10» вследствие несимметричности поля тяготения Луны превосходит в 5 – 6 раз соответствующие возмущения, обусловленные воздействием Солнца и Земли. Так, например, нецентральность лунного поля тяготения вызывает в течение одного оборота спутника «Луны-10» изменение в координатах его орбиты, примерно равное 0,75 километра, а влияние Солнца и Земли приводит к изменению координат орбиты не более чем на 0,11 километра за один оборот.

Выявлена несимметричность поля тяготения видимого и невидимого полушарий Луны и тенденция грушевидного распределения масс (по данным измерений «Лунар Орби-тер» центр массы Луны сдвинут в сторону Земли).

Для иллюстрации гравитационного потенциала Луны, определенного с помощью спутника «Луна-10», на рис. 62 приведены сечения поверхности уровня гравитационного потенциала Луны тремя взаимно перпендикулярными плоскостями (радиус окружности сравнения был взят равным 1738 километрам). Оси координат выбраны следующим образом: ось X направлена к Земле, ось Z – к северному полюсу Луны, ось Y дополняет оси X, Z до правой прямоугольной системы.

Рис. 62. Сечения поверхности уровня гравитационного потенциала Луны экваториальной (а) и меридиональными (б, в) плоскостями, по материалам спутника «Луна-10»; радиальное отклонение от окружности увеличено для наглядности в 1000 раз

Траекторные измерения пяти спутников «Лунар Орбитер» также использовались для определения гравитационного поля Луны и распределения масс по ее объему; удачным дополнением к обычным траекторным методам регистрации движения аппарата «Лунар Орбитер-5» явилось его фотографирование на орбите с помощью телескопа.

Оригинальные данные о плотности лунных пород под поверхностью всех пяти кольцеобразных «морей» Луны сообщило Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NACA) на основании изучения полета аппарата «Лунар Орбитер-5» по низкой селеноцентрической орбите.

Оказалось, что в районе лунных морей – Дождей, Ясности, Кризисов, Нектара, Влажности и других – скорость движения спутника возрастала; аналогичное явление было отмечено при полете «Лунар Орбитер-5» над центром видимого диска Луны – между Центральным и Восточным заливами (возможно, что эта область ранее была «морем» округлой формы).

Изучение полученных материалов позволяет утверждать, что под поверхностью лунных «морей», на глубине примерно 50 километров, расположены породы с большой плотностью. Очевидно в процессе образования «морей» Луны при извержении лавы формировались породы повышенной плотности, что, возможно, объясняется (как и кольцеобразная форма «морей») падением на Луну небесных тел типа астероидов.

Районы Луны с местным увеличением гравитационного воздействия названы «масконами» (концентрация массы).

Анализ движения различных аппаратов «Лунар Орбитер», пролетавших над одинаковыми областями Луны на различных высотах, дает следующие физические характеристики масконов: глубина залегания возмущающих масс под лунной поверхностью – от 25 до 125 километров; протяженность масконов – от 50 до 200 километров; маскон в Море Дождей имеет массу, равную 20-10-6 от массы Луны. Районы концентрации масс на Луне (по данным американских ученых Мюллера и Съергена, открывших масконы) приведены в следующей таблице.

Рассмотрение материалов, полученных по результатам полета всех лунных спутников, дает возможность прийти к выводу о том, что вещество Луны более однородно по плотности, чем это предполагалось ранее. Плотность глубинных слоев Луны оказалась почти постоянной вдоль радиуса, т. е. мало увеличивающейся с приближением к центру Луны, в отличие от Земли, имеющей весь. ма плотное центральное ядро по сравнению с вышележащими оболочками. Отношение плотности центрального ядра к средней плотности наружных пород составляет для Земли около 5, а для Луны, по-видимому, – не превосходит 2.

Исследование Луны посредством анализа движения ее спутников позволило получить многие количественные гравитационные характеристики; однако их уточнение должно быть проведено с использованием специально оборудованных лунных спутников.

Лазерная локация Луны явилась новым эффективным методом изучения ряда глобальных параметров Луны и Земли, позволяющим произвести их уточнение в десятки раз. Ее применение позволило решить следующие задачи: измерение расстояния Земля – Луна с погрешностью менее 1 метра; уточнение движения Луны в пространстве и вокруг ее оси, ее физическую либрацию; проверку гипотезы о дрейфе земных континентов и о медленном уменьшении силы тяготения (расстояние до Луны при этом увеличивается); уточнение прогноза землетрясений по наблюдениям колебаний Земли относительно ее оси вращения.

Рис. 63. Лазерный отражатель (разработанный французскими специалистами), доставленный на Луну советской автоматической станцией «Луна-17»

Впервые эксперименты лазерной локации лунной поверхности (с длительностью импульса порядка одной тысячной секунды) были проведены американскими и советскими учеными в 1962 и 1963 годах; удалось замерить расстояние Земля – Луна с ошибкой до 150 километров.

Усовершенствованное лазерное устройство (с длительностью импульса около одной стомиллионной секунды) позволило измерить расстояние до дна лунного кратера Фламмарион уже с точностью в несколько сотен метров.

Ошибку измерений можно было снизить еще пример. но в 100 раз размещением на Луне специального отражателя, определенным образом ориентированного на Землю.

Такого рода измерения стали возможными с доставкой на Луну кораблем «Аполлон-11» и станцией «Луна-17» светоотражателей, служащих точечными мишенями.

Отражатель лазерного излучения, разработанный французскими специалистами, был доставлен на Луну научной станцией «Луна-17» (рис. 63). Он состоит из панели (с теплоизоляцией), на которой укреплены 14 четырехгранных призм из специального однородного стекла с очень малым коэффициентом температурного расширения; три прямых угла призмы выполнены с точностью до десятой доли угловой секунды. Световой лазерный пучок, посланный на Луну, после трехкратного преломления в призме возвращается в ту же точку Земли, откуда он был отправлен.

Для обеспечения лазерной локации Луны служит наземный комплекс, установленный на телескопе и состоящий из оптического передатчика