Луна — от исследовании И освоению
Л.М.Зеленый, И.Г.Митрофанов
Можно ли представить себе будущее развитие земной цивилизации без освоения и использования Луны? Как мы писали еще три года назад, безусловно, нет*. Система Земля—Луна уникальный астрономический объект, в котором небольшая по массе планета обладает удивительно массивным спутником на относительно небольшом расстоянии от нее. Скорее всего, гигантские приливы, вызываемые Луной, которая 4 млрд лет назад находилась к Земле гораздо ближе, сыграли важную роль в зарождении земной жизни. Сравнительно недавно установили, что в реголите лунных полюсов присутствуют лед воды и другие летучие соединения, попавшие туда из самых далеких областей Солнечной системы, а возможно — из галактической межзвездной среды. В современной астрофизике накопилось большое число вопросов о происхождении и эволюции Луны. Космические инженеры рассматривают наш естественный спутник в качестве будущего космического континента земной цивилизации. Данная статья посвящена описанию начальной фазы лунной программы нашей страны, кото-
* Зеленый Л.М., Хартов В.В., Митрофанов И.Г., Долгополов В.П. Луна: исследование и освоение вчера, сегодня, завтра, послезавтра // Природа. 2012. №1. С.23—29.
© Зеленый Л.М., Митрофанов И.Г.,
2015
Лев Матвеевич Зеленый, вице-президент РАН, академик, доктор физико-математических наук, директор ИКИ РАН, профессор Московского физико-технического института. Научные интересы связаны с плазменными процессами в космической среде, физикой и эволюцией Солнечной системы. Член ряда международных научных организаций. Член редколлегии «Природы».
Игорь Георгиевич Митрофанов, доктор физико-математических наук, заведующий отделом ядерной планетологии ИКИ РАН. Область научных интересов — астрофизика высоких энергий и ядерная планетология. Руководитель четырех российских экспериментов на борту Международной космической станции и на автоматических межпланетных аппаратах НАСА «Mars Odyssey», LRO и «Curiosity».
рая создаст условия для последующих этапов планомерного освоения лунного континента.
За три года после публикации упомянутой статьи на близкую тему многое изменилось. Во-первых, появились новые научные результаты о природной среде Луны. Во-вторых, в конце 2011 г. произошла трагическая неудача при запуске марсианского исследовательского проекта «Фобос-грунт». Космический аппарат из-за сбоя на борту при первом включении маршевого двигателя остался на низкой околоземной орбите и сгорел в атмосфере после нескольких месяцев бесплодных попыток установить с ним радиосвязь. Эта авария потребовала пересмотра планов и сроков проведения всех проектов по освоению дальнего космоса (включая и лунные), что заставило на основе уроков от неудавшегося пуска разработать новую концепцию реализации лунных проектов. В-третьих, претерпе-
вает значительные изменения общая политика России в освоении дальнего космоса, который вновь (как это было в середине прошлого века) становится одной из важнейших областей технологического развития нашей страны. Главным направлением на ближайшие десятилетия при этом признается освоение Луны путем интеграции пилотируемых и автоматических средств.
Почему Луна?
Напомним читателям «Природы» основные причины привлекательности нашего спутника.
Во-первых, несмотря на то что на Луне нет атмосферы, она, как ни парадоксально, пожалуй, единственное более или менее комфортное место в Солнечной системе для будущих космонавтов с Земли, гораздо более удобное, чем орбитальные станции. Хотя поток солнечной энергии на Луне почти равен тому, который получает Земля, в окрестности ее полюсов есть районы, где температура не поднимается выше минус 200°С Там в течение сотен миллионов лет откладывались слои испарившегося вещества падавших на Луну комет и астероидов. Для космонавтики важно то, что полярная вечная мерзлота содержит и обычный (водяной) лед, который исключительно важен для создания обитаемых баз с полностью автономным циклом жизнеобеспечения. Во-вторых, гравитация Луны гораздо меньше земной, но ее вполне хватит, чтобы поддерживать физиологический тонус участников продолжительных экспедиций. Наконец, размещение обитаемых комплексов под поверхностью на глубине всего около двух метров полностью решит самую сложную проблему дальних космических полетов за пределами земной атмосферы и магнитосферы — защиту экипажа от космических лучей и солнечной радиации.
Если стратегическим рубежом освоения Солнечной системы в обозримой перспективе станет Марс, то Луна представляет собой тактический плацдарм на пути к красной планете (в том числе для отработки важнейших элементов марсианских экспедиций). В ближайшие десятилетия исследования Марса будут проводиться только с помощью автоматических станций. Многие научные и инженерные проблемы будущей марсианской космической программы (например, защита от радиации и обеспечение среды обитания экипажа) могут решаться и технически отрабатываться при освоении Луны. Кроме того, Луна все еще интересна и для фундаментальной науки. До сих пор нет единой общепризнанной модели ее образования.
Этого, на наш взгляд, вполне достаточно, чтобы лунные исследования в следующие 10—15 лет стали центральными в отечественной космической программе. В лунных проектах наилучшим образом сочетаются пилотируемая космонавтика
и работа автоматических аппаратов, что принципиально важно для российской программы космических исследований.
«Новая Луна» XXI века
Как известно, первый период космических исследований Луны связан с лунной гонкой СССР и США в 60—70-х годах прошлого века. Благодаря этому сейчас мы располагаем пилотируемым космическим кораблем «Союз» (созданным в качестве лунного перелетного модуля) и тяжелой ракетой-носителем «Протон». Двигатели, которые были сконструированы для лунного ракетоносителя H-1, остаются востребованными как для современных, так и для перспективных ракет.
Второй период лунной космонавтики начался в 90-х годах прошлого века и продолжается сейчас. Важнейшим событием стало обнаружение признаков летучих веществ (в том числе и водяного льда) в окрестности постоянно затененных областей (находящихся, как правило, в кратерах) в приполярных частях Луны, где солнечные лучи падают на поверхность почти по касательной. Вначале казалось, что этот научный результат не имеет прямого практического выхода, поскольку посадить аппарат в место, лишенное потока солнечной энергии, представлялось затруднительным. Ситуация в корне изменилась в 2009 г., когда российский нейтронный прибор LEND («Lunar Exploration Neutron Detector» — Лунный исследовательский нейтронный детектор), и поныне работающий на борту американского космического аппарата LRO («Lunar Reconaissance Orbiter» — Лунный разведывательный спутник), провел первые измерения содержания водяного льда в приповерхностном слое реголита с высоким пространственным разрешением около 10 км. Оказалось, что летучие вещества (в том числе и водяной лед) находятся в небольших полярных областях вечной мерзлоты как внутри, так и вне постоянно затемненных областей вблизи полюсов Луны (рис.1).
Продолжение исследований Луны с применением телескопа LEND в течение более пяти лет (с 2009 по 2015 г.) позволило накопить огромный объем данных о нейтронном излучении и на основе его анализа получить новые знания о процессах переноса и распространенности воды на естественном спутнике Земли (рис.2, 3). Оказалось, что в высокоширотных областях Луны среднее содержание воды в реголите на склонах, которые обращены в сторону полюсов, больше, чем на склонах, расположенных на той же широте, но обращенных на запад, на восток или в сторону экватора. Наиболее вероятная причина этого эффекта — относительно более низкие средние температуры реголита на полярных склонах вследствие меньшего потока солнечного излучения по сравнению с другими участками поверхности на аналогичной
Рис.1. Карты распространенности водяного льда в реголите на Северном (слева) и Южном полюсах Луны, по данным российского нейтронного телескопа LEND на борту лунного спутника НАСА LRO. Белые сегменты на карте северного полюса связаны с отсутствием статистически обеспеченных данных из-за особенностей измерений на борту спутника. Оттенками серого цвета на картах показан лунный рельеф, черными контурами обозначены границы областей постоянного затенения.
широте, и, как следствие, повышенное содержание в нем конденсированных молекул воды.
Второй новый эффект, обнаруженный в эксперименте LEND, — переменность нейтронного потока с поверхности в зависимости от локального времени лунных суток (лунаций). Эта переменность, вероятно, связана с вариациями содержания воды в реголите в течение лунации. Максимальная концентрация воды наблюдается утром, в 6 ч 35 мин, а минимальная — днем, в 14 ч 35 мин. Эффект утренней конденсации воды в грунте Луны напоминает эффект утренней росы на Земле и указывает на то, что лунная экзосфера постоянно содержит значительную концентрацию водяного пара. Последний утром конденсируется в порах реголита и в течение дня испаряется обратно в экзосферу.
Открытие в эксперименте LEND эффектов полярных склонов и утренней конденсации ставит перед исследователями вопрос о происхождении и переносе воды в экзосфере современной Луны. Ранее предполагалось, что основной источник воды на Луне — эпизодические столкновения с кометами и астероидами. Но под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулы воды в лунной экзосфере должны распадаться примерно за такое же короткое время, как и на Земле, — несколько десятков часов, и потому их присутствие в экзосфере современной Луны нельзя объяснить столкновением Луны с малым небес-
ным телом несколько миллионов лет тому назад. Наличие молекул воды в экзосфере современной Луны означает наличие стационарного источника воды. Их может быть два: внешний (производство молекул воды в верхнем слое поверхности из ионов водорода солнечного ветра) и внутренний (диффузия на поверхность собственной воды из лунных недр). Вопрос о природе лунной воды — ключевой для будущих исследований нашего естественного спутника.
П
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.