Лунные моря и кратеры. Интересные факты о лунных кратерах Метеориты являются причиной кратеров на луне

Как образовались лунные кратеры

Со времени открытия кольцеобразных гор (кратеров) на Луне Галилеем в 1610 г. ученых не оставлял вопрос об их происхождении. На его решение ушло три с половиной столетия. Представлялось удивительным обилие кольцевых гор на Луне и полное отсутствие их на Земле. Какие причины могли привести к их образованию?

Размеры лунных кратеров (см. фото) были самые разнообразные: от 200-километровых гигантов, как Байи, Гримальди, до находившихся на пределе различимости, который зависел от мощности телескопа (у наиболее мощных современных телескопов он составлял 1 км).

Лунная поверхность резко подразделялась по рельефу на два типа: сравнительно светлые возвышенности, получившие название «материков», и обширные темные гладкие пространства, которые были названы «морями». Несомненно, в начальный период исследования Луны их и считали морями, но, как только астрономы поняли, что Луна лишена атмосферы, название «моря» приобрело условный характер.

Дело в том, что жидкая вода может существовать только при вполне определенных давлениях атмосферы. По мере понижения давления точка кипения воды понижается (это явление хорошо знакомо альпинистам) и при некотором критическом давлении достигает точки плавления льда. Это давление близко к 10 мбар. Поэтому даже на Марсе, где среднее давление атмосферы равно 6 мбар, жидкая вода существовать не может; твердая фаза воды (лед) непосредственно переходит там в газообразную (пар) и обратно.

На Луне ситуация несколько иная. Там атмосферы нет, давление практически равно нулю и даже лед, если бы он там был, должен был бы постепенно испариться под действием солнечных лучей, а пар из-за малой силы тяжести должен был рассеяться, улетучиться в мировое пространство, как улетучилась когда-то вся лунная атмосфера. Так что на Луне (по крайней мере, на ее поверхности) нет и воды.

Лунные «моря» хорошо видны даже невооруженным глазом, особенно в полнолуние. Они образуют на лунном диске характерные фигуры, которые одним кажутся похожими на двух людей, другим - на человеческое лицо, третьим - на зайца. Уже в хороший бинокль видны крупнейшие кратеры. Они лучше различимы в фазах первой или последней четверти, когда солнечные лучи освещают поверхность Луны под косым углом и кратеры (а также горные хребты, имеющиеся на Луне) отбрасывают длинные тени.

В телескоп можно заметить, что на «материках» кратеров значительно больше, чем на «морях». Это связано с тем, что «материки» - более древние образования, чем «моря». В настоящее время природа тех и других, равно как и лунных кратеров, выяснена окончательно. Но для этого потребовалось полтора столетия напряженных усилий.

«Столетняя война» гипотез

Для объяснения происхождения лунных кратеров было выдвинуто немало гипотез. Большинство из них быстро сошло со сцены, предоставив ее двум основным «соперницам»: вулканической и метеоритной гипотезам. Сторонники этих двух гипотез, сменяя друг друга, вели между собой, по меткому выражению испанского астронома А. Палюзи-Бореля, «столетнюю войну». (В действительности эта борьба продолжалась около 150 лет, но ведь и историческая столетняя война между Англией и Францией длилась 116 лет).

Вулканическая гипотеза старше своей соперницы, хотя ненамного. Впервые ее высказал в конце 80-х годов XVIII в. немецкий астроном И. Шретер. По его мнению, кольцеобразные горы на Луне были созданы силами, исходившими из недр лунного шара и проявлявшимися в виде извержений. Возможность вулканических извержений на Луне предполагал в те же годы известный английский астроном В. Гершель. Правда, никаких доказательств столь активного вулканизма на Луне (хотя бы в прошлом) никто из них привести не мог.

Метеоритная гипотеза была предложена в 1824 г. немецким астрономом Ф. Груитуйзеном (Еще в 1667 г., за полтора столетия до Груитуйзена, метеоритную гипотезу высказывал известный физик Р. Гук. Однако эта гипотеза не получила в те годы развития и вскоре была предана забвению). По его мнению, космические массы, падавшие на Луну, были гораздо больше современных метеоритов и вызывали продавливание кольцевых участков лунной коры с образованием кратеров. Взгляды Груитуйзена были вскоре забыты, и лишь через полвека, в 1873 г., английский астроном Р. Проктор вновь высказал идею о проламывании лунной коры ударами метеоритов. Однако позже он отказался от своих взглядов.

В 1892 г. президент Американского геологического общества Г. Джильберт дал первое серьезное обоснование метеоритной гипотезы. Он впервые высказал идею, что не только кратеры, но и лунные «моря» образованы лавовыми излияниями, вызванными падениями больших масс метеоритов. Увы, статья Джильберта осталась не замеченной в астрономических кругах, и о ней вспомнили лишь полвека спустя.

В 20-х годах нашего столетия известный немецкий геофизик А. Вегенер предложил новый вариант метеоритной гипотезы. Согласно его гипотезе метеориты падали на Луну под действием лунного притяжения, а до этого обращались вокруг Луны, образуя некое «метеоритное кольцо», подобное кольцу Сатурна. Такое предположение понадобилось Вегенеру, чтобы объяснить круговую форму кратеров и отсутствие среди них кратеров с эллиптическими очертаниями. Именно этот аргумент противопоставляли доводам «метеоритчиков» их противники, резонно заявляя, что косых ударов метеоритов о лунную поверхность должно было быть гораздо больше, чем отвесных.

В то время теория сверхскоростных соударений еще не была разработана, не было и соответствующих экспериментов. Образование кратеров приписывалось в основном механическому воздействию падающего метеорита. О взрывных явлениях, сопровождающих удар твердого тела с космической скоростью, никто не имел ни малейшего представления.

А. Вегенер производил другие эксперименты. Он сбрасывал на слой цемента комья цементного порошка, получая при этом отличные модели лунных кратеров, даже с центральной горкой. В дальнейшем, уже в 50-е годы, эти эксперименты были повторены советскими любителями астрономии П. Ф. Сабанеевым и А. М. Беневоленским (см. фото).

В конце XIX и начале XX в. сторонники вулканической гипотезы тоже предприняли ряд попыток ее обоснования. В 1874 г. английские инженеры Дж. Нэсмит и Дж. Карпентер в большой книге, посвященной Луне, выдвинули фонтанно-вулканическую гипотезу, согласно которой извержение из центральной горки приводит к постепенному насыпанию вала кратера. В 1896 г. французский астроном П. Пюизё попытался обосновать вулканическую гипотезу учетом приливов, вызываемых на Луне Землей (нетрудно подсчитать, что они в 20 раз сильнее, чем те, что вызывает на Земле Луна). По мнению Пюизё, приливы и являлись причиной лавовых излияний, образовавших лунные кратеры.

Не остались безучастными к этой дискуссии и геологи. Еще в 1843 г. известный французский геолог Э. де Бомон посвятил одну из своих работ сравнению горных массивов Земли и Луны. Спустя три года американский геолог Д. Дана опубликовал статью «О вулканах на Луне». В это же время изучением форм лунного рельефа занимался такой известный геолог, как Э. Зюсс. Основная идея Зюсса об образовании морей в результате частичного расплавления поверхностного слоя Луны подтвердилась в ходе новейших исследований.

В начале XX в. проблемой происхождения лунных кратеров интересовался академик А. П. Павлов, предложивший остроумную модификацию вулканической гипотезы. По его схеме раскаленная лава, поднимаясь из недр Луны, расплавляла части лунной поверхности, что привело к образованию в этих местах круглых лавовых озер, окаймленных правильными кольцевыми валами. Взгляды Павлова имели много общего с идеями Зюсса. Но никто из геологов не дал четкой картины механизма образования лунных кратеров. Высказывались в основном лишь общие соображения.

В 1949 г. советский геолог А. В. Хабаков выпустил книгу «Об основных вопросах истории развития поверхности Луны», в которой дал подробный анализ структуры лунного рельефа. На основании этого анализа он сделал вывод о том, что происхождение всех форм лунного рельефа можно объяснить только внутренними причинами, в том числе вулканическими процессами. Но как, в ходе какого физического механизма могли образоваться кольцевые структуры, геолог Хабаков, как и его коллеги, объяснить не мог. Для этого нужно было применить методы механики и математики.

Как образуются метеоритные кратеры

О том, что метеорит, ударяясь с большой скоростью о поверхность планеты, может произвести взрывные явления, первым догадался новозеландский ученый А. Джиффорд в 1924 г., давший правильную качественную картину явлений, сопровождающих удар. В результате практически мгновенного торможения при ударе вся кинетическая энергия метеорита переходит в тепло и происходит взрыв. Давление горячих газов, равное по всем направлениям, из-за различного сопротивления среды приведет к уплотнению пород под местом взрыва, к сжатию и раздвижению пород в боковых направлениях, сопровождаемому выбросами материи, к сильному дроблению и разрушению вещества верхних слоев и к выбросу его на большие расстояния и, наконец, к образованию блюдцеобразной выемки, т. е. кратера.

Работа Джиффорда не содержала развитой математической теории образования кратеров при ударах метеоритов и осталась, как это нередко случается в науке, незамеченной.

Прошло 13 лет. На механико-математическом факультете Московского университета студент выпускного курса Кирилл Станюкович готовился к защите дипломной работы. Работа называлась «О происхождении лунных кратеров». В ней была построена первая математическая теория взрывных явлений, сопровождающих удар метеорита о лунную (и любую другую) поверхность. Впервые было строго доказано, что при ударе метеорита с космической скоростью и сам метеорит, и значительная часть вещества мишени мгновенно испаряются. Громадные массы вещества оказываются выброшенными на большие расстояния. На месте взрыва образуется чашеобразное углубление - кратер. Разумеется, форма кратера не зависит от угла падения метеорита.

Готовя свою дипломную работу, Станюкович ничего не знал о статье Джиффорда. Не знал о ней и эстонский астроном Э. Эпик, который за год до Станюковича опубликовал в трудах Тартуской обсерватории статью под названием «Теория образования лунных кратеров». В этой работе проникновение метеорита в грунт при ударе, выброс вещества и образование кратера рассматривались на основе уравнений гидродинамики несжимаемой среды. Как было показано позднее, такой подход приводит к переоценке энергии удара, необходимой для образования кратера данных размеров, на один-два порядка.

Подход Эпика не удовлетворял Станюковича. Но прежде чем выставить свою дипломную работу на защиту, Станюкович сделал о ней доклад на Второй кометно-метеорной конференции, собравшейся в Москве в начале 1937 г. Работа была встречена с интересом и получила одобрение участников конференции. Краткое сообщение о ней было опубликовано в «Астрономическом журнале» ученым секретарем конференции И. С. Астаповичем. Эта небольшая заметка закрепила приоритет молодого ученого, потому что дипломная работа, которую Станюкович успешно защитил весной того же года, осталась неопубликованной. А она вполне заслуживала публикации.

Лишь через 10 лет К. П. Станюкович (ставший к тому времени уже доктором наук) опубликовал совместно с В. В. Федынским статью «О разрушительном действии метеоритных ударов», в которой изложил основы теории и главнейшие результаты, Переключение научных интересов на другие проблемы привело к тому, что до войны опубликовать свой труд Станюкович не успел и сделал это лишь вскоре после войны.

Статья К. П. Станюковича и В. В. Федынского, опубликованная в «Докладах Академии наук СССР», по праву и в настоящее время считается классической работой по проблеме образования кратеров на планетах в результате метеоритных ударов. Она развивает результаты дипломной работы Станюковича на более новой основе. В 1946 г. независимо друг от друга Л. И. Седов (будущий академик) и К. П. Станюкович вывели очень важное соотношение, связывающее давление на фронте ударной волны и энергию взрыва. Кроме того, в 1945 г. была опубликована совместная работа Л. Д. Ландау и К. П. Станюковича по теории нестационарных процессов, из которой можно было вычислить среднюю скорость масс, выброшенных при взрыве, и распределение скоростей выбросов. Были опубликованы за это время и результаты некоторых экспериментальных работ по взрывам. Все эти результаты были использованы в работе К. П. Станюковича и В. В. Федынского.

В этой работе был сделан важный прогноз о том, что кратеры, подобные лунным, должны быть на Марсе, астероидах и вообще на всех телах Солнечной системы, лишенных атмосферы. Лишь через три года аналогичный прогноз сделали Э. Эпик и К. Томбо.

К. П. Станюкович и В. В. Федынский сделали еще один важный вывод: метеоритная бомбардировка приводит к уменьшению массы малых тел Солнечной системы. Потерянная масса в тысячи раз превосходит массу ударяющего метеорита. Эта дезинтеграция планетного и кометного вещества в Солнечной системе может иметь космическое значение.

Это значение сразу понял академик В. Г. Фесенков. В изданной в следующем году монографии «Метеорная материя в междупланетном пространстве» он посвятил процессу дезагрегации астероидов, как он его назвал, целую главу. В отличие от К. П. Станюковича и В. В. Федынского, В. Г. Фесенков не интересовался физикой соударений, а рассматривал судьбу пылинок, отделяющихся от астероидов при метеоритной бомбардировке. Он показал, что именно в этом процессе формируется пылевое облако, наблюдаемое нами в виде зодиакального света.

Вернемся, однако, к теории образования лунных кратеров. К. П. Станюкович продолжал ее разрабатывать дальше. В 1950 г. он опубликовал большую статью «Элементы физической теории метеоров и кратерообразующих метеоритов». В начале 60-х годов К. П. Станюкович подытожил результаты своих многолетних исследований в специальной главе (написанной совместно с автором этой книги) монографии «Луна». Вдвоем мы разработали такие вопросы, как образование светлых лучей и венцов вокруг некоторых кратеров (это насыпные образования, результаты «веерных» выбросов из кратера), а также образование лунных «морей» в ходе грандиозных лавовых излияний из недр Луны при ударах о лунную поверхность крупных тел астероидальных размеров.

В начале 60-х годов активизировались теоретические исследования кратерообразования за рубежом. Большой вклад в теорию формирования кратеров на планетах внесли американские ученые Р. Бьорк и Ю. Шумейкер. С помощью ЭВМ были рассчитаны все деформации вещества метеорита и грунта после удара, движения частиц породы и формирование кратера (рис. 38).

Рис. 38. Процесс образования ударного кратера на Луне (по Ю. Шумейкеру)

Продолжали исследования в этом направлении и советские ученые. С разных точек зрения анализировали процесс кратерообразования Э. И. Андрианкин, Б. А. Иванов, А. К. Мухаметжанов. Они сняли всякие сомнения с ответа на вопрос: могут ли падающие метеориты образовывать кратеры, подобные лунным? Да, могут!

Метеоритные кратеры на Земле

В начале главы был поставлен вопрос: почему кратеры имеются только на Луне и их нет на Земле? Да, так ставился вопрос около ста лет назад. Но в XX в. на поверхности Земли был обнаружен целый ряд структур, которые оказались метеоритными кратерами.

Еще в 1891 г. был впервые описан знаменитый Аризонский кратер (Каньон Дьябло) диаметром 1200 м и глубиной 175 м (см. фото). Но даже такой сторонник метеоритного происхождения лунных кратеров, как Г. Джильберт, не понял, что этот кратер имеет метеоритное происхождение.

В 1905 г. начал свои исследования Аризонского кратера Д. Барринджер, получивший в ходе двадцатилетних исследований неопровержимые доказательства его метеоритного (ударного) происхождения. Были обнаружены вторичные выбросы, расположенные симметрично относительно центра кратера, радиальный сдвиг пластов горных пород, в кратере была найдена так называемая горная мука и куски шлаковидного стекла - продукты расплавления пород при ударе метеорита. В самом кратере и в его окрестностях еще с 1866 г. находили осколки метеоритного железа, но долгое время это не производило впечатления на ученых. Теперь стало ясным не только происхождение кратера, но и то, что метеорит был железным. Был установлен и возраст кратера - 30 тыс. лет.

Вслед за Аризонским были обнаружены другие метеоритные кратеры: в 1921 г.- Одесса (штат Техас, США) диаметром 160 м, в 1927 г.- группа кратеров Каали на острове Саарема (Эстония) с главным кратером диаметром 110 м, в 1931 г.- группа из 13 кратеров в Хенбери (Австралия) с эллипсовидным центральным кратером 220х110 м, в 1932 г.-два кратера Вабар в Саудовской Аравии (диаметр большего 100 м). За ними последовали другие открытия. К 1965 г. на Земле было известно уже 115 метеоритных кратеров.

Но почему среди них не было таких крупных кратеров, как на Луне? Сотни метров, самое большее километр, а не десятки и сотни километров, как на Луне. «Большие кратеры должны были образоваться в очень давние времена,- рассуждали ученые,- а за миллионы лет действие воды и ветра, тектонические процессы стерли с лица Земли их следы». Но все оказалось не так, как думали в те годы. Большие кратеры лежали у нас под ногами.

Марс, Меркурий, кто следующий?

В 1965 г. американский космический аппарат «Маринер-4» передал первые фотографии поверхности Марса с близкого расстояния. На этих снимках было обнаружено более 300 кратеров размерами от 3 до 176 км. Лишь девять из них имели центральную горку. Характерным отличием марсианских кратеров от лунных было явное уменьшение количества малых кратеров (меньше 4 км).

Как известно, количество лунных кратеров убывает с увеличением их размера по степенному закону вида N ~ D - n , где D - диаметр вала кратера, п =2. Этот закон, полностью подобный закону распределения по размерам метеорных тел, сам по себе является доводом (хотя еще не доказательством) в пользу метеоритной гипотезы образования кратеров.

На Марсе, как было установлено по снимкам «Маринеров-6, 7», до некоторого D min распределение кратеров по размерам следует тому же закону, что и на Луне, но число кратеров с D = 1 км уступает лунному почти на порядок. Это обстоятельство можно было объяснить двояко: либо малые кратеры разрушает эрозия (на Марсе есть атмосфера, а в прошлом, вероятно, на его поверхности была жидкая вода), либо кратерообразование за последние миллионы лет почему-то ослабело.

Решению этой дилеммы помогло обнаружение кратеров на спутниках Марса - Фобосе и Деймосе (см. фото). Когда было изучено распределение кратеров по их поверхности, выяснилось, что оно в точности следует закону распределения кратеров на лунных материках (рис. 39). Это показывало, что поверхность Фобоса и Деймоса столь же древняя, как поверхность материков Луны (старше 4 млрд. лет). Таким оказался космический «возраст» обоих спутников Марса.

Рис. 39. Распределение по размерам кратеров на Луне, Марсе, Фобосе и Деймосе

Открытие кратеров на Фобосе и Деймосе стало окончательным доказательством того, что Марс, как и Луна, перенес в прошлом интенсивную метеоритную бомбардировку, но наличие атмосферы и гидросферы (а возможно, и тектоническая активность) привело к исчезновению некоторой или даже значительной части кольцевых структур на Марсе и на Земле по сравнению с Луной, Фобосом и Деймосом.

Тщательное исследование поверхности Марса по снимкам, полученным с советских и американских космических аппаратов в 70-е годы, позволило положить конец «столетней войне». Дело в том, что на Марсе были обнаружены и настоящие вулканы. Да еще какие! Вулкан Олимп имеет высоту 25 км, а радиус его подножия - около 250 км (см. фото). Это самый высокий вулкан в Солнечной системе. Несколько уступают ему три других гиганта: вулканы Арский, Аскрейский и Павлиний. Их высоты - от 11 до 16 км. В отличие от ударных кратеров марсианские вулканы имеют форму конуса с кальдерой наверху. Подобно Эльбрусу, Казбеку и Арарату, марсианские вулканы потухшие.

Итак, «вулканисты» были вознаграждены. В дальнейшем они были вознаграждены еще более, после того как американский космический аппарат «Вояджер-1» передал на Землю снимки восьми действующих вулканов на спутнике Юпитера Ио, а советские межпланетные станции серии «Венера» принесли веские доказательства активного вулканизма на нашей соседке в Солнечной системе - на планете Венере. Оправдалось предвидение советского астронома профессора С. К. Всехсвятского о развитии вулканизма на планетах.

Вулканы Марса поставили перед учеными новую проблему: почему именно на этой планете образовались столь грандиозные вулканы? Мы знаем, что вулканы на Земле (включая потухшие) не превышают в высоту 5,5 км, а самая высокая гора Эверест немного «не дотягивает» до 9 км. Аналогичная ситуация на Луне и, как потом выяснилось, на Меркурии. Высочайшая вершина на Венере имеет высоту 11 км.

В природе не бывает ничего случайного (кроме действительно случайных событий, например, столкновений Земли с крупными телами, хотя и они подчиняются определенным закономерностям). Необычайную высоту вулканов Марса требовалось объяснить.

Вулканизм связан с формированием в недрах планеты расплавленной магмы, а оно, в свою очередь, с внутренним теплом планеты. Основной источник этого тепла - радиоактивный распад. Количество тепла, которое этот процесс выделяет, пропорционально (при прочих равных условиях) массе планеты, т. е. кубу ее радиуса. Площадь поверхности планеты пропорциональна квадрату радиуса. Поэтому выделение внутреннего тепла на единицу площади будет пропорционально радиусу планеты. Итак, силы, порождающие вулканизм, растут с размерами планеты, что находит подтверждение на вулканически активных Земле и Венере и в угасшем уже вулканизме Марса.

Но есть сила, ограничивающая высоту гор на планете. Это сила тяжести, не позволяющая горе расти неограниченно. Высокая сила тяжести на Земле и Венере ограничила высоту гор на этих планетах соответственно в 9 и 11 км, а на Марсе, где ускорение свободного падения меньше (3,73 м/с 2), образовались горы до 25 км. Любопытно, что высота h крупнейших гор на планетах Земля, Венера и Марс обратно пропорциональна ускорению свободного падения g на их поверхности (в среднем произведение gh = 92,9):

Но этот «закон» сразу нарушается, как только мы переходим к Меркурию и к Луне. На них нет гор выше 9 км. Это значит, что тектоническая (в том числе горообразовательная) активность на этих телах значительно слабее, чем на Земле, Марсе и Венере.

Кстати, а как выглядит Меркурий? Первые его снимки из космоса были переданы американским космическим аппаратом «Маринер-10» в 1974 г. Перед взорами астрономов предстала... вторая Луна! Вид поверхности Меркурия (см. фото) до того напоминает Луну, что только астроном, хорошо знающий расположение лунных кратеров, сможет отличить их друг от друга.

Подсчеты кратеров в области Калорис показали, что ее возраст не менее 4 млрд. лет. Еще древнее возвышенности Меркурия, но и там число малых кратеров отклоняется от закона N ~ D -2 , как на Марсе, что можно объяснить их разрушением за счет размягчения поверхности в период ее интенсивной бомбардировки.

Радиолокационные изображения поверхности Венеры, и станциями «Венера-15, -16», а также американским аппаратом «Пионер-Венера», позволили выявить на этой планете как вулканические образования, так и ударные кратеры размерами от 4-5 до 130 км. По плотности кратеров возраст поверхности Венеры составляет от 500 млн. до 1 млрд. лет, но это возраст преобладающих вулканических равнин. Более древние кратеры на Венере, по-видимому, уничтожены тектоническими процессами либо в ходе интенсивной бомбардировки, либо после ее завершения. Как и на Земле, активные вулканотектонические процессы на Венере продолжаются и в нашу эпоху.

Обширные сведения были получены за последние годы о поверхностях спутников Юпитера и Сатурна, благодаря передаче их изображений американскими космическими аппаратами «Пионер-10, -11» и «Вояджер-1, -2». Четыре галилеевых спутника Юпитера оказались совершенно разными. На ближайшем к Юпитеру спутнике Ио обнаружено, как мы уже говорили, восемь действующих вулканов, а на поверхности - оранжевые отложения продуктов вулканических извержений. Поверхность Ио очень молодая (несколько миллионов лет), и поэтому ударных кратеров на ней очень мало. Поверхность следующего спутника - Европы - покрыта толстой ледяной корой и испещрена длинными трещинами. Кратеров на ней практически нет. Зато Ганимед и Каллисто покрыты многочисленными кратерами, причем на Каллисто их гораздо больше, чем на Ганимеде. Поверхность Каллисто весьма древняя и может вполне сравниться по степени насыщения кратерами с Луной и Меркурием (см. фото). Очевидно, что тектоническая активность на Каллисто в течение последних 3 млрд. лет была весьма слабой. Напротив, Ганимед несет следы активной тектонической деятельности, в частности крупных разломов коры. Поэтому его поверхность значительно моложе, чем у Каллисто, хотя встречаются участки более древней коры, гуще покрытые ударными кратерами, чем остальные.

Причины различий в структуре поверхностей четырех галилеевых спутников Юпитера еще не вполне ясны. Сделано несколько попыток их объяснения, которые мы здесь обсуждать не будем.

Густо покрыта кратерами поверхность спутника Сатурна Мимаса (диаметр 390 км), причем крупнейший из них имеет диаметр 130 км. Столь же обильны кратеры на Дионе (диаметр 1120 км), некоторые из них имеют системы светлых лучей, как на Луне. На Рее (диаметр 1530 км) плотность кратеров такая же, как на Луне и Меркурии, а диаметр крупнейшего из них достигает 300 км. Еще больший кратер (400 км) обнаружен на поверхности Тефии (диаметр спутника 1050 км). На поверхности Энцелада (диаметр 510 км) заметны следы сравнительно недавних течений в коре, разрушивших древний рельеф. Удалось выявить не менее пяти этапов геологической эволюции Энцелада. Районы, лишенные кратеров, имеют возраст менее 10 млн. лет, поэтому не исключено, что недра Энцелада активны и сейчас.

Этих примеров достаточно, чтобы показать, как изучение кратерных структур на планетах и их спутниках помогает выяснить пути эволюции их рельефа под действием как внутренних, так и внешних сил.

Новые открытия на Земле

А как же Земля? Неужели тектоника, вода и ветер полностью стерли с лица Земли гигантские ударные кратеры, которые ну просто не могли на ней не образоваться; ведь Земля - куда более удобная мишень для встречных астероидов, ядер комет и метеоритов, чем, скажем, Луна. Большая масса, а значит, и сила притяжения Земли разгоняют эти тела до больших скоростей, чем притяжение Луны. Кроме того, у Земли больше радиус захвата - на нее упадут не только те тела, которые летят прямо на Землю, но и часть тех, которые пролетели бы мимо, если бы Земля их не притягивала.

Нет, метеоритные кратеры должны существовать на Земле в гораздо больших количествах, чем было известно, и они должны иметь существенно большие размеры. Еще в конце 30-х годов английские геологи Дж. Бун и К. Олбриттон пытались доказать метеоритное происхождение ряда структур, считавшихся тогда криптовулканическими (криптовулканическими называют почти круговые, сложные куполообразные структуры, характеризующиеся сильными деформациями с дроблением пород. Многие специалисты считают, что они не связаны с проявлениями вулканизма). Но в то время еще было трудно доказать их ударное происхождение.

В 1950 г. канадский геолог В. Мин, обследовав круглое озеро Нью-Квебек, установил по ряду признаков, что это крупный метеоритный кратер диаметром 3,4 км. До этого самым большим метеоритным кратером на Земле считался Аризонский, диаметр которого был втрое меньше.

В 1951 г. в Канаде был открыт кратер Брент (3,5 км). Это заставило канадских ученых предпринять систематические поиски структур, которые могут быть метеоритными кратерами. Их выявление производилось по аэрофотоснимкам, причем первыми признаками метеоритной природы считались круговая форма, наличие вала, центральная депрессия. Более определенные критерии были связаны с наличием под дном кратера брекчий (мелкораздробленных осколков пород) и следов ударного метаморфизма: импактитов, плотных модификаций пород - коэсита и стишовита, наконец, конусов разрушения.

Что представляют собой эти образования? Термином импактит (от англ. impact - удар) обозначают горные породы, непосредственно связанные с ударными кратерами и претерпевшие изменения при ударе. Сюда относятся брекчии разных типов, породы, испытавшие плавление, и другие.

Конусы разрушения (см. фото) образуются при взаимодействии ударной волны, идущей от центра взрыва, с границами пластов пород, которые дробятся на конусообразные фрагменты с поверхностями, покрытыми ветвящимися бороздами. Если конусы разрушения не перемещены взрывной волной, они всегда направлены вершиной к центру взрыва. Образуются они при давлениях 20- 100 кбар.

Коэсит и стишовит - это модификации кремнезема, образующиеся при высоких давлениях. У них иная кристаллическая структура и более высокая плотность, чем у обыкновенного кварца. В частности, более плотный стишовит обнаруживается только в метеоритных кратерах, в них он и был впервые открыт. Коэсит образуется при давлениях, превышающих 30-40 кбар, стишовит - 100 кбар.

Реже встречаются высокобарные модификации углерода - алмаз и лонсдейлит. Они обнаружены пока только в двух метеоритных кратерах. (Вспомним, что и в Тунгусской тайге были обнаружены алмазно-графитовые сростки.) Для их образования нужны давления в 500- 700 кбар.

В результате тщательных поисков на территории Канады были обнаружены 24 структуры несомненно ударного происхождения. Среди них были кратеры Клируотер (32 и 20 км), Кутюр (12 км), Дип Бэй (13,5 км), Холлефорд (2,5 км), Кили (13 км) и другие (рис. 40). Этой работой руководили М. Денс, К. Биле и другие ученые.

Рис. 40. Контуры некоторых канадских метеоритных кратеров (по К. Билсу и М. Денсу)

Поисками метеоритных кратеров занялись и в других странах, что привело к открытию метеоритных структур Нордлингер Рис (ФРГ, 21х24 км), Босумтви (Гана, 10 км), Уэллс Крик (США, 10 км), Госсес Блаф (Австралия, 22 км), Деллен (Швеция, 12 км), Лаппаярви (Финляндия, 10 км) и других. На территории ЮАР был обнаружен гигантский кратер Вредефорт диаметром 100 км, имеющий надежно установленный возраст в 2 млрд. лет.

Начиная с 70-х годов крупные кольцевые структуры были, обнаружены и на территории нашей страны. Большая заслуга в открытии и изучении астроблем (слово астроблема означает «звездная рана». Это название все шире применяется к структурам ударного (космического) происхождения) в СССР принадлежит ленинградскому геологу В. Л. Масайтису. Он доказал, что гигантская (100-километровая) котловина в районе течения р. Попигай на Таймыре представляет собой метеоритный кратер. Его возраст 180 млн. лет. Вслед за Попигайским кратером были открыты и исследованы астроблемы: Болтышская (24 км), Каменская (25 км), Карская (50 км), Пучеж-Катункская (80 км), Янисъярви (13х17 км), Эльгыгытгын (18 км). Выяснилось, что город Калуга расположен в гигантском метеоритном кратере диаметром 15 км, образовавшемся около 400 млн. лет назад.

Очень интересным оказался метеоритный кратер Жаманшин (диаметр 5 км) в Казахстане, изученный геологом П. В. Флоренским. Вблизи этого кратера впервые на территории СССР были найдены тектиты - черные оплавленные стекла, происхождение которых несомненно связано с падениями крупных метеоритов. До этого тектиты находили только на территории Чехословакии, в Индокитае, в Южной Африке и в Австралии.

Исследование крупных астроблем на территории нашей страны привлекло большую группу исследователей. Свой вклад в их изучение внесли геологи Б. С. Зейлик, А. А. Вальтер, Е. П. Гуров, А. О. Аалоэ, геофизики А. И. Дабижа, М. С. Красе и другие.

Таким образом, на Земле оказалось много крупных кольцевых структур, несомненно имеющих ударное происхождение. Их количество пока составляет 230, но каждый год приносит новые открытия. Эти структуры в буквальном смысле слова лежали у нас под ногами, но мы долго не могли этого понять.

Земля как космическая мишень приняла свою долю ударов небесных странников: метеоритов, астероидов, ядер комет. В этом отношении она ничем не отличается от других планет и их спутников. Но, конечно, тектонические процессы, водная и ветровая эрозия сделали свое дело, и многие астроблемы не сохранились.

От гигантских «морей» к микрократерам

Мы уже говорили, что распределение кратеров по размерам на густо усеянных этими структурами поверхностях тел Солнечной системы следует степенной зависимости вида N ~ D -2 . Этот факт сам по себе доказывал метеоритное происхождение кратеров, поскольку распределение метеорных тел по размерам подчиняется той же закономерности. Правда, энергия удара тела зависит не только от его массы, но и от скорости, будучи пропорциональна ее квадрату. Однако скорости удара заключены в сравнительно узких пределах (11-73 км/с), а если учесть, что все астероиды и метеориты имеют в Солнечной системе прямое движение, то этот диапазон еще более сокращается. Разброс же по массе громаден: от триллионов тонн до миллиграммов и их долей.

В 1949 г. американский исследователь Р. Болдуин построил интересную диаграмму, на которой представил структурные особенности лунных кратеров и заведомо взрывных структур: воронок от бомб, снарядов и крупных наземных взрывов. По вертикальной оси он отложил (в логарифмическом масштабе) диаметр кратера или воронки, по горизонтальной - их глубину. Все воронки от взрывов, земные метеоритные кратеры (их тогда было известно немного) и лунные кратеры легли на одну плавную кривую (рис. 41). Это было веским доводом в пользу метеоритного происхождения лунных кратеров.

Рис. 41. Кривая Болдуина для взрывных кратеров и воронок. 1 - вулканические кальдеры по данным автора; 2 -земные метеоритные кратеры

Еще в 1892 г. Г. Джильберт полагал, что не только кратеры, но и округлые лунные «моря» образовались в результате ударов тел астероидальных размеров. Джильберт обратил внимание на систему радиальных разломов, расходящихся от Моря Дождей. Эта идея была в 50-е годы разработана видным американским космогонистом лауреатом Нобелевской премии Г. Юри. В 1960 г. К. П. Станюкович и автор этой книги предложили свой вариант образования «морей»: после удара крупного тела о поверхность Луны в глубинных частях лунной коры под местом удара происходит откол большого фрагмента коры и расплавленная магма из недр получает выход на поверхность. Происходит лавовое излияние, и образуется «море». По мнению ряда ученых, выход лавы на поверхность Луны мог произойти не сразу после удара, а значительно позже, через много миллионов лет.

После фотографирования обратной стороны Луны советскими лунными станциями были открыты гигантские кольцевые структуры: Море Восточное, окруженное несколькими концентрическими валами (внешний диаметр 500 км), кратер Королев (диаметр 300 км), Море Москвы и другие. На Меркурии были открыты бассейны типа Калорис. Создалось общее мнение, что эти, хотя и немногочисленные, образования тоже последствия бомбардировки Луны и Меркурия космическими «снарядами».

Благодаря доставке образцов лунных пород (в том числе и с поверхности «морей») на Землю американскими астронавтами и советскими лунными станциями «Луна-16, -20, -24» оказалось возможным точно датировать эпоху формирования лунных «морей». Это был период от 4,25 до 3,85 млрд. лет назад. Именно тогда образовались бассейны типа Моря Дождей на Луне, а также, по-видимому, Калорис на Меркурии, Эллада на Марсе и другие. После этого, 3,85 млрд. лет назад, бомбардировка Луны прекратилась и начался период интенсивного вулканизма, продолжавшийся на Луне и Меркурии около 1 млрд. лет.

Почему же так внезапно прекратилась бомбардировка Луны? Видимо, был исчерпан запас «снарядов». Что же это были за «снаряды»? Ответ на этот вопрос дают космогонические теории академика О. Ю. Шмидта и Г. Юри. Согласно взглядам этих ученых, планеты Солнечной системы образовались в результате объединения протопланетных тел меньшего размера, которые, в свою очередь, должны были образоваться в ходе слипания частиц пыли из околопланетного газово-пылевого облака. Возраст планет Солнечной системы теперь определяется однозначно путем анализа содержания радиоактивных изотопов и продуктов их распада в древнейших земных и лунных породах, а также в метеоритах,- это 4,6 млрд. лет назад. Значит, вскоре после формирования древнейших частей лунной поверхности последовала интенсивная бомбардировка Луны оставшимися плапетезималями. Это были как раз тела астероидальных размеров - километры и десятки километров. Они двигались по слабо вытянутым орбитам прямым движением и время от времени падали на Луну, на Землю, на Марс, Венеру, Меркурий, на спутники Юпитера и Сатурна (читателя не должно удивлять, что мы здесь не упоминаем самые планеты-гиганты. Ведь у них пет твердых поверхностей и кратеры на них образоваться не могли), образуя кратеры и «моря». Но за 400 млн. лет запас планетезималей был исчерпан, массовая бомбардировка прекратилась, остались лишь пояс астероидов и система комет, которые время от времени продолжали наносить удары по поверхностям планет и их спутников. Впрочем, не подлежит сомнению, что и поверхности самих астероидов усеяны кратерами в не меньшей степени, чем, например, Фобос и Деймос.

Полеты к Луне американских космических зондов «Рейнджер», начиная с 1964 г. показали, что поверхность Луны покрыта множеством мелких кратеров. До этого мы могли видеть в телескопы на Луне кратеры не менее 1 км в диаметре. Снимки «Рейнджеров» понизили этот предел в сторону меньших размеров - до 1 м. А на доставленных с Луны образцах лунных пород, а также на специально выставлявшихся там на некоторое время пластинках были обнаружены мельчайшие кратеры, размерами уже в несколько микрометров. Такие же кратеры обнаруживаются на специальных пластинках-датчиках, помещаемых на спутниках и орбитальных станциях.

Нанесение малых кратеров на Луне на диаграмму Болдуина показало, что они хорошо ложатся на продолжение в сторону малых размеров кривой, построенной для больших кратеров. Подтвердилась и степенная функция распределения кратеров по размерам. Стало ясно, что все они - результаты ударов метеороидов.

Государственное казённое

общеобразовательное учреждение Калужской области

«Калужская общеобразовательная школа – интернат № 5 имени

для обучающихся с ограниченными возможностями здоровья»

Как образовались кратеры на Луне?

Работа выполнена учениками 6 «а» класса:

Руководители:

Калуга, 2017

Введение................................................................................. 3

Глава I. Теоретическая часть..................................................5

Типы кратеров …....................................................................5

Ударные кратеры.....................................................................5

Формирование кратеров……….............................................6

Глава II. Практическая часть…………………………….....10

Эксперимент............................................................................10

Основные выводы.................................................................13

Использованная литература…………………………..……14

Введение

Галилео Галлилей в 1609 году направил телескоп на Луну и обнаружил, что поверхность Луны не гладкая. На Луне есть горы, кратеры: лунная поверхность рельефна. Последующие исследования показали, что «поверхность Луны можно разделить на два типа: очень старая гористая местность (лунный материк) и относительно гладкие и более молодые лунные моря. Лунные «моря», которые составляют приблизительно 16 % всей поверхности Луны,- это огромные кратеры, возникшие в результате столкновений с небесными телами, которые были позже затоплены жидкой лавой» .

С конца 1780-х годов для объяснения происхождение кратеров, были выдвинуты две основные гипотезы - вулканическая и метеоритная.

Согласно постулатам вулканической теории, выдвинутой в 80-х годах XVIII века немецким астрономом Иоганном Шрётером, лунные кратеры были образованы вследствие мощных извержений на поверхности. Но в 1824 году также немецкий астроном Франц фон Груйтуйзен сформулировал метеоритную теорию, согласно которой при столкновении небесного тела с Луной происходит продавливание поверхности спутника и образование кратера.

Долгое время сторонники двух теорий происхождения кратеров ожесточенно спорили, но последующие исследования и особенно полеты к спутнику Земли с 1964 года подвели итог этому спору о происхождении кратеров на Луне: лунные кратеры образовались в результате столкновения с небесными телами.

Цель работы:

Проверить правильность метеоритной теории происхождения кратеров. Узнать, каким образом образуются кратеры, от чего зависят размеры и глубина кратеров.

Задачи работы:

1. Изучить типы кратеров и принципы их образования.

2. Провести эксперимент, из наблюдений сделать вывод.

Методы работы:

опытно-экспериментальные.

Оборудование:

мука, какао, предметы разных размеров и с разным объемом, фотоаппарат.

I Теоретическая часть

Типы кратеров

Слово «кратер» имеет разное значение. Это и сосуд, и название созвездия, и имя полководца. Но кратер также обозначает углубление на поверхности.

Кратер - форма рельефа, углубление в поверхности земли или на вершине горы.

Кратеры могут быть вулканическими, ударными, эрозийными, взрывными, лунными.

Вулканический кратер - углубление на вершине или склоне вулканического конуса (см. также: кальдера).

Ударный кратер (метеоритный кратер) - углубление на поверхности космического тела, результат падения другого тела меньшего размера.

Эрозийный кратер - углубление эрозийного происхождения.

Взрывная воронка - углубление в земле от взрыва обычного или ядерного боеприпаса . Лунный кратер - углубление на поверхности Луны.

Ударные (лунные) кратеры

«Лунным кратером называется чашеобразное углубление на поверхности Луны, имеющее сравнительно плоское дно и окруженное кольцевидным приподнятым валом. В соответствии с современными представлениями абсолютное большинство лунных кратеров являются кратерами ударного типа.»

Такое определение лунного кратера дает современная наука. Лунный кратер - это ударный кратер. А ударный кратер возникает в результате падения тел меньшего размера на поверхность.

Космические исследования показали, что ударные кратеры - самая распространённая геологическая структура в Солнечной системе. Такие образования встречаются не только на луне, но и на Земле, Меркурии, Марсе.

Геологическое строение

Структура кратеров определяется энергией соударения метеорита с поверхностью (зависящая, в свою очередь, от массы и скорости космического тела, плотности атмосферы), углом встречи с поверхностью и твёрдостью веществ, образующих метеорит и поверхность.

При касательном ударе возникают бороздообразные кратеры небольшой глубины со слабым разрушением подстилающих пород, такие кратеры достаточно быстро разрушаются вследствие эрозии. Примером может служить кратерное поле Рио Кварта в Аргентине, возраст которого составляет около 10 тысяч лет: самый крупный кратер поля имеет длину 4,5 км и ширину 1,1 км при глубине 7-8 м.

Структура обычного и крупного кратеров.

Когда направление столкновения вертикальное, возникают округлые кратеры, структура которых зависит от их диаметра. Небольшие кратеры (диаметром 3-4 км) имеют простую чашеобразную форму, их воронка окружена валом, образованным задранными пластами подстилающих пород (цокольный вал), перекрытый выброшенными из кратера обломками (насыпной вал, аллогенная брекчия). Под дном кратера залегают аутигенные брекчии - породы, раздробленные и частично метаморфизированные при столкновении; под брекчией расположены трещиноватые горные породы. Отношение глубины к диаметру у таких кратеров близко к 1⁄3, что отличает их от кратерообразных структур вулканического происхождения, у которых отношение глубины к диаметру составляет около 0,4.

При больших диаметрах возникает центральная горка над точкой удара (в месте максимального сжатия пород). При ещё больших диаметрах кратера (более 14-15 км) образуются кольцевые поднятия. Эти структуры связаны с волновыми эффектами (подобно капле, падающей на поверхность воды). С ростом диаметра кратеры быстро уплощаются: отношение глубина/диаметр падает до 0,05-0,02.

Размер кратера может зависеть от мягкости поверхностных пород (чем мягче, тем, как правило, меньше кратер).

На космических телах, не обладающих плотной атмосферой, вокруг кратеров могут сохраняться длинные «лучи» (образовавшиеся в результате выброса вещества в момент удара).

При падении крупного метеорита в море могут возникать мощные цунами (например, юкатанский метеорит, согласно расчётам, вызвал цунами высотой 50-100 м).

Метеориты массой свыше 1000 тонн практически не задерживаются земной атмосферой; метеориты меньшей массы могут существенно тормозиться и даже полностью испаряться, не достигая поверхности.

У старых астроблем видимая структура кратера (горка и вал) зачастую разрушена эрозией и погребена под наносным материалом, однако по изменениям свойств подстилающих и перенесённых горных пород такие структуры достаточно чётко определяются сейсмическими и магнитными методами.

Формирование кратера

Средняя скорость, с которой метеориты врезаются в поверхность Земли, составляет около 20 км/с, а максимальная - около 70 км/с. Их кинетическая энергия превышает энергию, выделяющуюся при детонации обычной взрывчатки той же массы. Энергия, выделяющаяся при падении метеорита массой свыше 1 тыс. тонн, сравнима с энергией ядерного взрыва. Метеориты такой массы падают на Землю довольно редко.

При встрече метеорита с твёрдой поверхностью его движение резко замедляется, а вот породы мишени (места, куда он упал), наоборот, начинают ускоренное движение под воздействием ударной волны. Она расходится во все стороны от точки соприкосновения: охватывает полусферическую область под поверхностью планеты, а также движется в обратную сторону по самому метеориту (ударнику). Достигнув его тыльной поверхности, волна отражается и бежит обратно. Растяжения и сжатия при таком двойном пробеге обычно полностью разрушают метеорит. Ударная волна создает колоссальное давление - свыше 5 миллионов атмосфер. Под её воздействием горные породы мишени и ударника сильно сжимаются, что приводит к взрывному росту температуры и давления, в результате чего в окрестностях соударения горные породы нагреваются и частично плавятся, а в самом центре, где температура достигает 15 000 °C, - даже испаряются. В этот расплав попадают и твердые обломки метеорита. В результате после остывания и затвердевания на днище кратера образуется слой импактита (от англ. impact - «удар») - горной породы с весьма необычными геохимическими свойствами. В частности, она весьма сильно обогащена крайне редкими на Земле, но более характерными для метеоритов химическими элементами - иридием, осмием, платиной, палладием. Это так называемые сидерофильные элементы, то есть относящиеся к группе железа (греч. σίδηρος).

При мгновенном испарении части вещества происходит образование плазмы, что приводит к взрыву, при котором породы мишени разлетаются во все стороны, а дно вдавливается. На дне кратера возникает круглая впадина с довольно крутыми бортами, но существует она какие-то доли секунды - затем борта немедленно начинают обрушиваться и оползать. Сверху на эту массу грунта выпадает и каменный град из вещества, выброшенного вертикально вверх и теперь возвращающегося на место, но уже в раздробленном виде. Так на дне кратера образуется брекчия - слой обломков горных пород, сцементированных тем же материалом, но измельчённым до песчинок и пылинок. Столкновение, сжатие пород и проход взрывной волны длятся десятые доли секунды. Формирование выемки кратера занимает на порядок больше времени. А ещё через несколько минут ударный расплав, скрытый под слоем брекчии, остывает и начинает быстро затвердевать. На этом формирование кратера заканчивается.

При сильных столкновениях твёрдые породы ведут себя подобно жидкости. В них возникают сложные волновые гидродинамические процессы, один из характерных следов которых - центральные горки в крупных кратерах. Процесс их образования подобен появлению капли отдачи при падении в воду небольшого предмета. При крупных столкновениях сила взрыва столь велика, что выброшенный из кратера материал может даже улететь в космос. Именно так на Землю попали метеориты с Луны и с Марса, десятки которых обнаружены за последние годы.

Пиковые значения давлений и температур при столкновении зависят от энерговыделения, то есть скорости небесного тела, при этом часть выделившейся энергии преобразуется в механическую форму (ударная волна), часть - в тепловую (разогрев пород вплоть до их испарения); плотность энергии падает при удалении от центра соударения. Соответственно, при образовании астроблемы диаметром 10 км в граните соотношение испарённого, расплавленного и раздробленного материала составляет примерно 1:110:100; в процессе образования астроблемы происходит частичное перемешивание этих преобразованных материалов, что обуславливает большое разнообразие пород, образующихся в ходе ударного метаморфизма.

Согласно международной классификации импактитов (International Union of Geological Sciences, 1994 г.), импактиты, локализованные в кратере и его окрестностях, делятся на три группы (по составу, строению и степени ударного метаморфизма):

Импактированные породы - горные породы мишени, слабо преобразованные ударной волной и сохранившие благодаря этому свои характерные признаки;

Расплавные породы - продукты застывания импактного расплава;

Импактные брекчии - обломочные породы, сформированные без участия импактного расплава или с очень небольшим его количеством.

Образование ударного кратера

II Практическая часть

Эксперимент

Наша группа решила экспериментально проверить, как образуются кратеры на поверхности Луны. Действительно ли, как утверждает теория, кратеры на поверхности образуются в результате столкновения метеоритов с поверхностью Луны.

Для решения этой задачи необходимо провести эксперимент . Основная идея состоит в том, что нам необходима поверхность, похожая на поверхность Луны, и твердые предметы, которые будут играть роль метеоритов. Таким образом, мы сможем смоделировать процессы, происходящие во время столкновения. Конечно, необходимо учесть, что во время попадания метеоритов в атмосферу земли они нагреваются. Но насколько мы знаем, у Луны нет атмосферы, и, следовательно, метеориты при падении не нагреваются, а энергия выделяется только при столкновении с поверхностью Луны. Эксперимент мы проводим на Земле в присутствии воздуха, но нам кажется, что влияние воздуха на процесс незначительное. Поэтому в нашем эксперименте мы сопротивление воздуха не учитываем.

Для этого эксперимента необходимы речной песок, мука, какао-порошок и предметы разных размеров.

Муку необходимо высыпать горочкой на поднос, подровнять поверхность. С помощью ситечка необходимо высыпать какао-порошок по всей поверхность муки. Далее необходимо кидать вертикально или под углом предметы с разной высоты и с разной начальной скоростью. Во втором варианте эксперимента муку необходимо горкой высыпать на песок и проделать те же самые действия, что и в первом случае.

Результаты эксперимента были сфотографированы.

Основные выводы

Согласно проведенному эксперименту можно сделать следующие выводы:

· Размеры кратеров зависят от размеров падающих тел.

· Глубина кратера зависит от массы падающего тела, а также от его скорости.

· Ну и мы можем дать утвердительный ответ на наш поставленный вопрос: кратеры на Луне возникают в результате столкновения небесных тел с поверхностью Луны. Лунные кратеры относятся к ударному типу кратеров.

Конечно, необходимо признать, что проведенный эксперимент дает ответ на общие вопросы, и для уяснения всех причин и механизмов кратерообразования необходимо провести еще дополнительные эксперименты.

Использованная литература:

1. ru. wikipedia. org

2. cse. ssl. berkeley. edu

Лунный кратер

Лунным кратером называется чашеобразное углубление в поверхности Луны , имеющее сравнительно плоское дно и окруженное кольцевидным приподнятым валом. В соответствии с современными представлениями абсолютное большинство лунных кратеров являются кратерами ударного типа . Незначительная часть лунных кратеров до сих пор считается вулканическими кальдерами .

История и происхождение кратеров

Тип	Типичный представитель	Морфологические признаки	Диаметр кратера	Изображение
ALC	Аль-Баттани C	Кратер сферической формы с острым валом, гладким внутренним склоном и сферической формой дна чаши кратера	до 10 км
BIO	Био	То же что тип ALC но с плоским дном в центральной части чаши кратера	10 - 15 км
SOS	Созиген	Кратер с плоским дном чаши, террасы внутреннего склона и центральный пик отсутствуют	15 - 25 км
TRI	Триснеккер	Наличие центрального пика (начиная с диаметра 26 км), внутренний склон утрачивает гладкость и имеет следы обрушения	15 - 50 км
TYC	Тихо	Террасовидный внутренний склон, сравнительно плоское дно чаши, часто имеют развитый центральный пик	свыше 50 км

Кратеры диаметром свыше 200 км утрачивают центральный пик и называются бассейнами. В отдельную группу выделяют талласоиды - крупные кратерные образования, по размерам близкие к круглым лунным морям, но в отличие от них имеющее светлое дно, не залитое тёмной лавой.

Примечания

Ссылки

• Wood, C.A. and L. Andersson (1978) New morphometric data for fresh lunar craters. Lunar and Planetary Science Conference, 9th, Proceedings. New York, Pergamon Press, Inc., p. 3669-3689.
• Lunar Impact Crater Database (2011) Losiak et al, LPI Lunar Exploration Intern Program (2009). Revised by Ohman, LPI (2011).

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Содержание статьи

ЛУНА, естественный спутник Земли, ее постоянный ближайший сосед. Это скалистое шаровидное тело без атмосферы и жизни. Ее диаметр 3480 км, т.е. немногим более четверти диаметра Земли. Ее угловой диаметр (угол, под которым диск Луны виден с Земли) составляет около 30ў дуги. Среднее расстояние Луны от Земли 384 400 км, что равно примерно 30 диаметрам Земли. Космический корабль может добраться до Луны менее чем за 3 сут. Первый достигший Луны аппарат «Луна-2» был запущен 12 сентября 1959 в СССР. Первые люди ступили на Луну 20 июля 1969; это были астронавты «Аполлона-11», запущенного в США.

Еще до наступления эры космических исследований астрономы знали, что Луна – необычное тело. Хотя это не самый большой спутник в Солнечной системе , но он один из крупнейших по отношению к своей планете – Земле. Плотность Луны всего в 3,3 раза больше плотности воды, что меньше, чем у любой из планет земной группы: самой Земли, Меркурия, Венеры и Марса . Уже это обстоятельство заставляет думать о необычных условиях образования Луны. Пробы грунта с поверхности Луны позволили определить его химический состав и возраст (4,1 млрд. лет у самых старых образцов), но это лишь сильнее запутало наше представление о происхождении Луны.

ВНЕШНИЙ ВИД

Как все планеты и их спутники, Луна в основном светит отраженным солнечным светом. Обычно бывает видна та часть Луны, которую освещает Солнце. Исключение составляют периоды вблизи новолуния, когда отраженный от Земли свет слабо освещает и темную сторону Луны, создавая картину «старой Луны в объятиях молодой».

Яркость полной Луны в 650 тыс. раз меньше яркости Солнца. Полная Луна отражает только 7% падающего на нее солнечного света. После периодов бурной солнечной активности отдельные места лунной поверхности могут слабо светиться под действием люминесценции.

На видимой стороне Луны – той, что всегда повернута к Земле, – бросаются в глаза темные области, названные астрономами прошлого морями (по-латински mare). Из-за относительно ровной поверхности моря были выбраны для посадки первых экспедиций астронавтов; исследования показали, что моря имеют сухую поверхность, покрытую мелкими пористыми обломками лавы и редкими камнями. Эти большие темные участки Луны резко отличаются от ярких горных областей, неровная поверхность которых значительно лучше отражает свет. Облетевшие Луну космические корабли показали, вопреки ожиданиям, что на обратной стороне Луны нет больших морей и поэтому она не похожа на видимую сторону.

Иллюзия Луны.

Вблизи горизонта Луна выглядит гораздо большей, чем высоко в небе. Это оптическая иллюзия . Психологические опыты показали, что наблюдатель подсознательно регулирует свое восприятие размера объекта в зависимости от размера других объектов в поле зрения. Луна кажется меньше, когда она высоко в небе и окружена большим пустым пространством; но когда она у горизонта, ее размер легко сравнить с расстоянием между ней и горизонтом. Под влиянием этого сравнения мы неосознанно усиливаем свое впечатление о размере Луны.

Фазы.

Фазы Луны возникают вследствие изменения взаимного расположения Земли, Луны и Солнца. Например, когда Луна находится между Солнцем и Землей, ее обращенная к Земле сторона темна и поэтому почти невидима. Этот момент называют новолунием, поскольку, начиная с него, Луна как будто рождается и становится видимой все больше и больше. Пройдя четверть своей орбиты, Луна демонстрирует освещенную половину диска; при этом говорят, что она находится в первой четверти. При прохождении половины орбиты у Луны становится видимой вся обращенная к Земле сторона – она вступает в фазу полнолуния.

Земля тоже проходит через разные фазы, если смотреть на нее с Луны. Например, в новолуние, когда диск Луны совершенно темный для наблюдателя на Земле, астронавт на Луне видит целиком освещенную «полную Землю». И наоборот, когда на Земле мы видим полнолуние, с Луны можно наблюдать «новоземелье». В первой и третьей четвертях, когда люди на Земле видят освещенной половину лунного диска, астронавты на Луне тоже увидят освещенную половину диска Земли.

ДВИЖЕНИЕ

Основное влияние на движение Луны оказывает Земля, хотя и значительно более удаленное Солнце на него тоже влияет. Поэтому объяснение движения Луны становится одной из сложнейших проблем небесной механики. Первая приемлемая теория была предложена Исааком Ньютоном в его Началах (1687), где были опубликованы закон всемирного тяготения и законы движения. Ньютон не только учел все известные в то время возмущения лунной орбиты, но и предсказал некоторые эффекты.

Характеристики орбиты.

Время, необходимое Луне для полного обращения по орбите вокруг Земли на 360°, составляет 27 сут 7 ч 43,2 мин. Но все это время Земля сама движется вокруг Солнца в том же направлении, поэтому взаимное положение трех тел повторяется не через орбитальный период Луны, а спустя примерно 53 ч после него. Поэтому полнолуние происходит через каждые 29 сут 12 ч 44,1 мин; этот период называют лунным месяцем. Каждый солнечный год содержит 12,37 лунных месяцев, так что 7 из 19 лет имеют 13 полнолуний. Этот 19-летний период называется «метоновым циклом», поскольку в 5 в. до н.э. афинский астроном Метон предложил этот период в качестве основы для реформы календаря, правда, не состоявшейся.

Расстояние до Луны постоянно меняется; это знал еще Гиппарх во 2 в. до н.э. Он определил среднее расстояние до Луны, получив значение, довольно близкое к современному – 30 диаметров Земли. Расстояние до Луны можно определять различными методами, например, методом триангуляции из двух удаленных точек на Земле или же с помощью современной техники: по времени прохождения радарного или лазерного сигнала до Луны и обратно. Среднее расстояние в перигее (ближайшей к Земле точке орбиты Луны) составляет 362 тыс. км, а среднее расстояние в апогее (самой далекой точке орбиты) равно 405 тыс. км. Эти расстояния измеряются от центра Земли до центра Луны. Точка апогея и вместе с ней вся орбита обращается вокруг Земли за 8 лет и 310 сут.

Наклон.

Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца – эклиптике – примерно на 5°; поэтому Луна никогда не удаляется от эклиптики более чем на 5°, всегда находясь среди или около зодиакальных созвездий. Точки, в которых лунная орбита пересекает эклиптику, называют узлами. Солнечное затмение может произойти только в новолуние и только в те моменты, когда Луна находится вблизи узла. Это случается по меньшей мере дважды в году. В остальных случаях Луна проходит на небе над или под Солнцем. Лунные затмения происходят только в полнолуние; при этом, как и в случае солнечных затмений, Луна должна находиться вблизи узла. Если бы плоскость лунной орбиты не была наклонена к плоскости земной орбиты, т.е. если бы Земля и Луна двигались в одной плоскости, то при каждом новолунии происходило бы солнечное затмение, а при каждом полнолунии – лунное затмение. Линия узлов (прямая, проходящая через оба узла) вращается вокруг Земли в противоположном движению Луны направлении – с востока на запад с периодом 18 лет 224 сут. Этот период тесно связан с циклом «сарос», составляющим 18 лет 11,3 сут и определяющего промежуток времени между одинаковыми затмениями.

Система Земля – Луна.

Разумеется, не совсем верно говорить о движении Луны вокруг Земли. Точнее, оба эти тела обращаются вокруг их общего центра массы, лежащего ниже поверхности Земли. Анализ колебаний Земли показал, что масса Луны в 81 раз меньше массы Земли.

Гравитационное притяжение Луны вызывает приливы и отливы на Земле. Приливные движения в результате трения замедляют вращение Земли, увеличивая продолжительность земных суток на 0,001 с за столетие. Поскольку момент импульса системы Земля – Луна сохраняется, замедление вращения Земли приводит к медленному удалению Луны от Земли. Однако в нынешнюю эпоху расстояние между Землей и Луной уменьшается на 2,5 см в год из-за сложного взаимодействия Солнца и планет с Землей.

Луна всегда обращена к Земле одной стороной. Детальный анализ ее гравитационного поля показал, что Луна деформирована в направлении Земли, но искажение ее формы слишком велико для современного приливного эффекта. Это искажение считают «замороженным приливом», оставшимся с тех пор, когда Луна была ближе к Земле и испытывала с ее стороны более сильное приливное влияние, чем сейчас. Но эта выпуклость может представлять собой и неоднородность внутреннего строения Луны. Сохранение как древней приливной выпуклости, так и асимметричного распределения массы требует наличия твердой оболочки, поскольку под действием собственного тяготения жидкое тело принимает шарообразную форму. Некоторые специалисты считают, что вообще вся Луна внутри твердая. Для этого она должна быть достаточно холодной. Результаты сейсмических экспериментов указывают, что внутренние области Луны действительно разогреты слабо.

Гравитационные измерения, проведенные на окололунной орбите американским аппаратом «Лунар орбитер», частично подтвердили неоднородность внутреннего строения Луны: в некоторых крупных морях были обнаружены области концентрации плотного вещества, названные масконами (от слов «масса» и «концентрация»). Они возникли там, где большие массы плотных пород окружены сравнительно легкими породами.

ДЕТАЛИ ПОВЕРХНОСТИ

Хотя Луна всегда повернута к Земле одной стороной, у нас есть возможность увидеть немного больше половины ее поверхности. Когда Луна находится в наивысшей точке своей наклонной орбиты, можно наблюдать обычно скрытую область вблизи ее южного полюса, а область вокруг северного полюса становится видимой, когда Луна достигает низшей точки орбиты. Кроме этого можно наблюдать дополнительные области на восточном и западном лимбе (крае) Луны, поскольку она вращается вокруг своей оси с постоянной скоростью, а скорость ее движения вокруг Земли изменяется от максимальной в перигее до минимальной в апогее. В результате наблюдаются покачивания – либрации – Луны, которые позволяют увидеть 59% ее поверхности. Области, которые совершенно невозможно увидеть с Земли, фотографируют с помощью космических аппаратов.

Старейшая полная карта видимого полушария Луны приведена в Селенографии, или описании Луны (1647) Я.Гевелия. В 1651 Дж.Риччоли предложил присваивать деталям лунной поверхности имена выдающихся астрономов и философов. Современная селенография – наука о физических характеристиках Луны – началась с детальной и подробно описанной карты Луны (1837) В.Бера и И.Мёдлера.

Фотографирование Луны началось в 1837 и достигло наивысшего развития в Систематическом фотографическом атласе Луны (Дж.Койпер и др., 1960). В нем показаны области Луны, освещенные солнечным светом, по крайней мере, под четырьмя различными углами. Наилучшее разрешение на фотографиях, полученных с поверхности Земли, составляет 0,24 км. Пять аппаратов «Лунар орбитер», успешно запущенных в 1966 и 1967, получили с окололунной орбиты великолепную и почти полную фотографическую карту Луны. Поэтому сейчас даже детали обратной стороны Луны известны с разрешением, в десять раз лучшим, чем детали ее видимой стороны в 1960. Подробные карты Луны были изготовлены в НАСА и могут быть получены в Управлении документами правительства США.

Новые детали лунной поверхности получают свои названия. Например, автоматический аппарат «Рейнджер-7» упал на безымянную площадку в 1964; теперь эта площадка называется Морем Познанным. Большие кратеры, сфотографированные на обратной стороне Луны аппаратом «Луна-3», названы именами Циолковского, Ломоносова и Жолио-Кюри. Прежде чем новое имя будет официально присвоено, оно должно быть одобрено Международным астрономическим союзом.

На Луне можно выделить три основных типа образований: 1) моря – обширные, темные и довольно плоские участки поверхности, покрытые базальтовой лавой; 2) материки – яркие приподнятые области, заполненные множеством больших и маленьких круглых кратеров, часто перекрывающихся; 3) горные цепи, такие, как Апеннины, и небольшие горные системы, подобные той, что окружают кратер Коперник.

Моря.

Крупнейшее из дюжины морей на видимой стороне Луны – Море Дождей диаметром ок. 1200 км. Кольцо из отдельных пиков на его дне и окружающая цепь гор с радиальными лучами говорят о том, что Море Дождей возникло вследствие удара о Луну огромного метеорита или ядра кометы. Его дно не идеально ровное, а пересечено волнообразной рябью, которую можно заметить при малом угле падения солнечных лучей. Эта рябь с сопутствующей ей разницей в цвете указывает, что лава разливалась здесь не единожды, а возможно, в результате нескольких последовательных ударов.

Фотографии с окололунной орбиты обнаружили более впечатляющий бассейн, чем Море Дождей. Это Море Восточное, которое с Земли частично видно на левом лимбе Луны, но лишь «Лунар орбитер» показал его настоящий вид. Центральная темная равнина этого моря довольно мала, но она служит центром большого числа круговых и радиальных горных цепей. Центральный бассейн окружен двумя почти идеально концентрическими цепями гор диаметром 600 и 1000 км, а за внешнюю горную цепь еще более чем на 1000 км выброшены породы в виде сложных радиальных образований.

Почти круглый контур Моря Ясности тоже указывает на столкновение, но меньшего масштаба. Другие моря, видимо, также заполнились лавой в результате одного или нескольких столкновений, более поздние из которых уничтожили кратер, возникший после первого столкновения.

Другие крупные кратерированные области, не разрушенные мощным столкновением, могли стать морями после мощного излияния лавы. Примерами такого рода служат Океан Бурь и Море Спокойствия, имеющие неправильные контуры и содержащие частично затопленные древние кратеры. Небольшие, но необъяснимые различия в цветах характерны для разных морей. Например, центральная область дна Моря Ясности имеет красноватый оттенок, типичный для старых, более глубоких слоев, а внешняя часть этого моря и соседнее Море Спокойствия имеют голубоватый оттенок.

Странное отсутствие темных морей на обратной стороне Луны говорит о том, что они формируются не так уж часто. Вероятно, вся система морей образовалась в результате лишь нескольких столкновений. Например, заполнение Океана Бурь и Моря Облаков могло произойти от одного удара в районе Моря Дождей. Возможно, эта сторона Луны сначала была отвернута от Земли. Когда в результате ударов образовавшиеся кратеры заполнились тяжелой лавой и породили масконы, возникшая асимметрия в распределении массы позволила притяжению Земли повернуть Луну и навсегда закрепить ее полушарие с морями в направлении нашей планеты.

Природа поверхности Луны.

Важнейшим результатом программы «Аполлон» стало открытие у Луны мощной коры. На месте посадки «Аполлона-14» в районе кратера Фра Мауро кора имеет толщину около 65 км. Луна покрыта рыхлым обломочным материалом – реголитом, слой которого имеет толщину от 3 до 15 м. Поэтому твердая порода почти нигде не обнажена, за исключением немногих молодых крупных кратеров. Реголит в основном состоит из мелких частиц различного размера, обычно около 25 мкм. Это смесь кусочков камня, сферул (микроскопических сфер) и фрагментов стекла. Вещество очень пористое и сжимаемое, но достаточно прочное, чтобы выдержать вес астронавта.

Образцы горных пород, доставленные «Аполлонами-11, -12 и -15», оказались в основном базальтовой лавой. Этот морской базальт богат железом и, реже, титаном. Хотя кислород несомненно является одним из основных элементов пород лунных морей, лунные породы существенно беднее кислородом своих земных аналогов. Особо следует подчеркнуть полное отсутствие воды, даже в кристаллической решетке минералов. Доставленные «Аполлоном-11» базальты имеют следующий состав:

Доставленные «Аполлоном-14» образцы представляют другой тип коры – брекчию, богатую радиоактивными элементами. Брекчия – это агломерат каменных обломков, сцементированных мелкими частицами реголита. Третий тип образцов лунной коры – богатые алюминием анортозиты. Эта порода светлее темных базальтов. По химическому составу она близка к породам, исследованным «Сервейором-7» в горной области у кратера Тихо. Эта порода менее плотная, чем базальт, так что сложенные ею горы как бы плавают на поверхности более плотной лавы.

Все три типа породы представлены в крупных образцах, собранных астронавтами «Аполлонов»; но уверенность, что они являются основными типами породы, слагающей кору, основана на анализе и классификации тысяч мелких фрагментов в образцах грунта, собранных с различных мест на поверхности Луны.

Кратеры

– одна из характерных особенностей Луны. Десятки тысяч кратеров можно увидеть в телескоп среднего размера. Крупнейшие из них похожи на ровные площадки, окруженные стеной. Такие кратеры, как Гримальди, Шиккард и Циолковский (на обратной стороне Луны), имеют диаметр около 250 км и гладкое лавовое дно. Наблюдения «Рейнджеров», «Сервейоров» и «Аполлонов» открыли много мелких кратеров, вплоть до размера крошечных рытвин. Хотя большинство кратеров округлые, некоторые из самых крупных по форме похожи на многоугольники. У земного наблюдателя сильный контраст света и тени вызывает впечатление очень неровной поверхности Луны; в действительности же стенки кратеров весьма пологие.

Большинство кратеров образовалось вследствие ударов по поверхности Луны метеоритов и ядер комет на раннем этапе ее истории. Более крупные первичные кратеры возникли от прямого попадания космических тел, а множество вторичных кратеров образовалось после падения обломков, выброшенных первыми взрывами. Вторичные кратеры сконцентрированы вокруг первичных и часто расположены парами или имеют вытянутую форму. Ударные кратеры на Земле очень напоминают лунные. Но земные кратеры разрушает эрозия, а на Луне при отсутствии воздуха, ветра и дождей – главных причин эрозии – сохраняются очень старые образования.

Некоторые кратеры могут быть результатом вулканической деятельности. Это удивительно правильные воронкообразные ямы с ослепительно белыми стенками при полной Луне. То, что они иногда расположены рядами, вероятно, над сейсмическими трещинами или на вершинах гор, только усиливает вулканическую гипотезу, предложенную американским астрономом голландского происхождения Дж.Койпером. Инфракрасные наблюдения, проведенные во время полных лунных затмений, выявили сотни необычно теплых пятен; как правило, они совпадают с яркими молодыми кратерами.

Поскольку большинство кратеров расположено в светлых материковых областях, они должны быть более старыми, чем моря. Согласно Койперу, первые кратеры образовались после того, как моря приобрели гладкое лавовое дно. Позднее поверхность плавилась, но недостаточно для того, чтобы заполнить кратеры лавой, хотя вулканические излияния видны. Вблизи полнолуния кратер Тихо и несколько уединенных кратеров, таких, как Коперник и Кеплер, становятся ослепительно белыми, и от них радиально расходятся длинные белые полосы, называемые «лучами». У этих кратеров неправильные центральные горки и множество мелких обломков внутри вала. Поскольку их лучи лежат поверх других лунных образований, лучистые кратеры должны быть самыми молодыми на Луне. «Рейнджер-7» показал, что лучи представляют собой ряды многочисленных белых вторичных кратеров.

Наблюдения изменений лунной поверхности весьма дискуссионны. Обычно это кажущиеся изменения из-за различия в угле падения солнечных лучей. Долго астрономы спорили, был ли Линней – яркое пятно в Море Ясности – когда-то кратером, как это указано на старой лунной карте в работе Риччоли. В 1958 советский астроном Н.А.Козырев наблюдал нечто, вероятно, представлявшее выброс газа в кратере Альфонс. После некоторого периода недоверия астрономы заинтересовались возможностью активной вулканической деятельности на Луне. Анализ разрозненных наблюдений показывает, что области ожидаемой активности сконцентрированы по краям морей.

Другие особенности.

Горные цепи, столь знакомые нам на Земле, довольно редки на Луне. Основные цепи гор на видимой стороне Луны (Апеннины, Альпы и Кавказ), конечно, были сформированы столкновением, породившим Море Дождей. Концентрические цепи гор окружают и некоторые другие моря. Некоторые горы вдоль южного края Луны сравнимы по высоте с Эверестом. Морщины, образованные сжатием, видны внутри большинства морей. Часто они имеют ступенчатую структуру с параллельными, но слегка смещенными сегментами. Иногда они похожи на довольно сложную плетенку.

Трещины и крутые каньоны шириной 1–2 км часто тянутся на сотни километров почти по прямой. Их глубина составляет от одной до нескольких сотен метров; более тысячи из них внесены в каталоги. Эти разрывные трещины в лавовой коре часто параллельны краям морей. Некоторые из них напоминают меандры русел земных рек.

Морщины и трещины, а также широкие и узкие долины образуют гигантскую сеть. Радиальные детали рельефа, связанные с Морем Дождей, образуют самую крупную сетчатую систему на Луне. Некоторые исследователи считают, что сетчатая система отражает внутрилунные процессы напряжения и сжатия, но другие думают, что это результат внешнего воздействия, связанного со столкновениями, породившими моря.

Обнаружено на Луне и множество других особенностей. Наиболее грандиозным разломом является Прямая Стена, протянувшаяся в Море Облаков примерно на 170 км; это крутой откос высотой около 300 м. Долина Рейта – пример грабена, т.е. зоны разрыва, где значительный участок поверхности стал опускаться. На дне морей обнаружено несколько маленьких потухших вулканов. Еще одна любопытная особенность лунной поверхности – небольшие лавовые купола. См . также