Физические поля Луны
Ускорение силы тяжести у поверхности Луны в 6 раз меньше земного и составляет 1,623 м/с2. Основным методом изучения гравитационного поля Луны является исследование возмущений орбит её искусственных спутников. Эти исследования позволили установить общую асимметрию распределения масс в теле Луны, а также выделить местные концентрации масс (т. н. масконы), расположенные в пределах верхней мантии в области круговых морей видимого полушария Луны.
Низкая отражательная способность лунного поверхностного слоя приводит к тому, что около 90 % падающего на Луну солнечного излучения переходит в теплоту. Поэтому Луна имеет собственное тепловое излучение в инфракрасной области спектра и частично в радиодиапазоне. Максимум собственного излучения Луны лежит в области длин волн 7 мкм. Максимум отражённого излучения Луны приходится на длину волны 0,6 мкм (максимум распределения энергии в солнечном спектре находится около длины волны 0,47 мкм). Измерения теплового излучения неосвещённой части лунного диска, проводимые в процессе смены фаз или во время лунных затмений, позволяют оценить тепловую инерцию покровного вещества, которая у лунного грунта оказывается на 2 порядка меньше, чем у земных горных пород. Столь низкое значение тепловой инерции свойственно только сильно измельчённым породам, помещённым в условия высокого вакуума. Измерения яркостной температуры радиоизлучения позволяют определить тепловой режим слоёв, расположенных под поверхностью Луны на глубине нескольких длин волн излучения. В частности, установлено, что на глубине около 1 м температура реголита не претерпевает существенных изменений в течение лунных суток. Этот вывод был подтверждён при бурении грунта экипажами космических аппаратов «Аполлон».
Карта общей напряжённости локального магнитного поля в районе магнитной аномалии Рейнер-гамма. Изолинии построены по данным магнитометра, установленного на борту искусственного спутника Луны (ИСЛ) Lunar Prospector. Снимок поверхности в области 750 нм получен ИСЛ Clementine. График из статьи: Hemingway D., Garrick-Bethell I. Magnetic field direction and lunar swirl morphology: Insights from Airy and Reiner Gamma // Journal of Geophysical Research: Planets. 2012. Vol. 117, № E10012. Перевод и адаптация: БРЭ.Многочисленные магнитометрические исследования (орбитальная магнитная съёмка и измерения непосредственно на поверхности Луны) установили отсутствие у Луны собственного магнитного поля. В то же время в некоторых районах лунной поверхности зафиксированы местные магнитные аномалии. В районах лунных морей видимого полушария величина магнитной индукции у поверхности колеблется от 0,1 до нескольких нанотесла. Наиболее значительные магнитные аномалии обнаружены на обратной стороне Луны, где магнитная индукция в некоторых местах достигает свыше 300 нТл. Исследования остаточной намагниченности образцов лунных пород, доставленных на Землю, позволяют предположить, что заметное магнитное поле могло существовать у Луны 3,6–3,8 млрд лет назад. Природа возникновения лунного палеомагнетизма и наблюдаемых в современную эпоху магнитных аномалий пока достоверно не установлена. Одна из гипотез происхождения локальных магнитных аномалий предполагает намагничивание вещества поверхностного слоя реголита в результате падения кометных тел. Наиболее известной диффузной структурой (англ. swirl) является альбедная аномалия, связанная с локальной магнитной аномалией, – Рейнер-гамма (Reiner Gamma) – на западной окраине Океана Бурь.
Взаимодействие Луны с окружающей средой
Космические лучи по-разному воздействуют на поверхности Луны и Земли, т. к. Луна практически лишена атмосферы и магнитного поля. Ионы солнечного ветра из-за своей малой энергии способны проникать лишь в очень тонкий (не более 1 мкм) верхний слой лунного вещества. Но за время существования Луны (более 4 млрд лет) общее число достигших её частиц может быть, по некоторым оценкам, эквивалентно поверхностному слою лунного вещества толщиной до 10 м. Плотность потока солнечного ветра у Луны обычно принимается равной (1–8) ·108 частиц · см–2 · с–1. Значительная часть этих частиц в конце концов покидает лунную поверхность. Тем не менее считается, что именно солнечный ветер служит источником таких редких для Луны химических элементов, как H, He, C, N и др. Содержание водорода в поверхностном слое реголита составляет 50–100 мкг/г, содержание изотопа 3Не в среднем не превышает 4–8 нг/г.
Электроны с энергией 0,5–1,0 МэВ, покидающие Солнце при солнечной вспышке, достигают окрестностей Луны за время от 10 мин до 10 ч, протоны с энергией 20–80 МэВ – за время от нескольких часов до 10 ч. Большая часть солнечных космических лучей не проникает в лунное вещество глубже, чем на несколько сантиметров. Многие образцы лунных пород, доставленные на Землю, сохранили следы частиц солнечных космических лучей, по которым можно судить об интенсивности солнечного ветра в прошлом (за период около 10 млн лет), а также определять экспозиционный возраст самих лунных пород.
Тяжёлые атомные ядра галактических космических лучей обычно не проникают в лунные породы на глубину более 10 см. Несмотря на то что эти частицы вызывают ядерные реакции в лунном веществе и индуцируют явления каскадного типа, наличия слоя вещества в несколько граммов на 1 см2 достаточно для полного затухания этих процессов. Напротив, лёгкие атомные ядра в составе галактических космических лучей (протоны и альфа-частицы) могут глубоко проникать в лунный грунт и инициировать каскады вторичных частиц, распространяющиеся на несколько метров вокруг. Число вторичных частиц, как правило, в несколько раз превышает первичный поток. Например, поток первичных частиц галактических космических лучей плотностью 2 частицы · см–2 · с–1 может индуцировать вторичный поток нейтронов плотностью около 13 частиц · см–2 · с–1. Одним из процессов, сопровождающих бомбардировку лунного покровного вещества частицами галактических космических лучей, является «выбивание» гамма-частиц и нейтронов, которые создают поток излучения от Луны. Энергетический спектр этого потока указывает на химический состав исходного вещества. Таким образом, дистанционно (с помощью орбитальных космических аппаратов) было определено содержание в лунных породах таких элементов, как Th, Ti, Fe, Mg, K и др.
При практически полном отсутствии у Луны газовой оболочки даже самые малые метеороидные частицы достигают лунной поверхности, вызывая интенсивную эрозию поверхностных слоёв. Расчётные значения скоростей падения на лунную поверхность таких частиц составляют 13–18 км/с. Общий поток падающих на Луну твёрдых тел оценивался величиной 4 ·10–19 кг · см–2 · с–1 при учёте объектов с массой от 10–19 до 1015 кг. Однако результаты пассивного сейсмического эксперимента, проведённого на лунной поверхности по программе «Аполлон», дали другую оценку потока метеоритного вещества, реально выпадающего на Луну. Зарегистрированный поток оказался в 10–1000 раз меньше прогнозируемого по наземным наблюдениям. Такое расхождение объясняют предполагаемым присутствием в приповерхностном окололунном пространстве рассеянного мелкодисперсного вещества – своеобразной «аэрозольной составляющей» лунной экзосферы. Отдельные наблюдения избыточных свечений лунного неба подтверждают подобные предположения. По данным измерений, проведённых непосредственно на лунной поверхности, плотность потока микрочастиц с массой более 10–16 кг и скоростью падения около 25 км/с составляет 2 ·10–8 см–2 · с–1. В этом эксперименте был зарегистрирован эффект повышенной концентрации микрочастиц вблизи моментов местного восхода и захода Солнца при 8 полных циклах смены фаз (т. н. лунациях). Количество микрочастиц, зарегистрированных за единицу времени, возрастало почти в 100 раз за время от нескольких часов до 40 ч перед восходом Солнца и в течение 30 ч после восхода. Было установлено, что преимущественное перемещение частиц происходит в направлении от Солнца. Предполагаемый механизм такого горизонтального переноса частиц по лунной поверхности заключается во взаимодействии электростатических зарядов пылинок с электростатическими полями, возникающими на лунной поверхности под воздействием солнечного излучения.
