Химия лунного грунта

Однако изучение границы естественных разнородных поверхностей весьма затруднительно из-за отсутствия точных данных об их первоначальных свойствах и о времени начала процесса переноса. Значительно более информативными представляются исследования «размытия» границ между разнородными материалами.

Возможен такой ход исследования. На лунный грунт помещается некоторое «пятно» (или группа «пятен») «искусственного» грунта с четкими границами. Затем через определенные промежутки времени производится исследование «размытия» границы двух разнородных поверхностей на основании комплексного изучения изменений области раздела. Количество и характер распределения частиц «искусственного» грунта на окружающей поверхности служат мерой скорости переноса. При этом механические и электрические свойства этого грунта не должны сильно отличаться от «лунных». Вещество не должно изменять своих характеристик при длительном пребывании на Луне в условиях глубокого вакуума, космической радиации, резких перепадов температуры, а также отвечать требованиям, вытекающим из особенностей доставки этого вещества на Луну, упаковки и способа нанесения на поверхность.

Наряду с этими экспериментами важно продолжать систематические исследования оптических эффектов в окололунном пространстве. Причем регистрацию свечения лунного горизонта желательно проводить при различных вариантах расположения аппаратуры относительно деталей рельефа, а визуальные наблюдения орбитальных восходов Солнца необходимо контролировать приборами.

Кроме того, наблюдения яркости лунного горизонта целесообразно проводить в течение длительных промежутков времени как в ночных, так и в дневных условиях. В ночное же время можно исследовать и эффекты взаимодействия метеоритных тел с лунной поверхностью, регистрируя возникающие при этом оптические вспышки. Возможны и другие эксперименты, например с использованием системы детекторов для определения направления и величины импульса частиц лунного реголита, приведенных в движение электростатическим или иным механизмом.

Экспериментальные исследования явлений переноса вещества на лунной поверхности позволят выяснить роль Солнца в эволюции рельефа Луны, а также помогут ответить на вопрос, почему обратная сторона Луны, сплошь покрытая кратерами и «материковыми» возвышенностями, так разительно отличается от видимой стороны Луны, значительную часть которой занимают «морские» низменности? Таким образом, проблема переноса вещества на лунной поверхности, являющаяся частью более общей проблемы — формирования лунного рельефа, — безусловно, займет соответствующее место в последующих экспериментальных исследованиях Луны.

ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТОВ «СЕРВЕЙЕР»

Запуски американских аппаратов типа «Сервейер» имели целью не только измерение химического состава грунта — планировалось и изучение лунного рельефа, гравитационного поля Луны, а также различных физических условий на лунной поверхности. Осуществление этой программы началось в 1966 г., когда «Сервейер-1» совершил мягкую посадку в Океане Бурь и передал на Землю изображения лунной поверхности. С помощью прилунившегося в апреле 1967 г. «Сервейера-3» проводилось (помимо телевизионной съемки поверхности) определение механических свойств грунта. Запуски «Сервейера-2 и -4» окончились неудачей.

Последние три аппарата этой серии — «Сервейер-5, -6 и -7», запущенные в 1967–1968 гг., передали цветное изображение лунной поверхности, исследовали механические свойства лунного грунта, а также произвели определение в нем содержания ряда элементов методом «обратно рассеянных альфа-частиц».

Суть этого метода в следующем. Альфа-частицы, испущенные радиоактивными источниками, при столкновениях с ядрами атомов испытывают рассеяние, причем энергия рассеянных частиц зависит от сорта ядер и от угла, под которым вылетела рассеянная частица. Если облучить какое-либо вещество альфа-частицами строго определенной энергии и установить (под фиксированным углом) счетчик рассеянных частиц, то он будет регистрировать альфа-частицы лишь определенных энергий, соответствующих наличию в изучаемом веществе тех или иных химических элементов, т. е. будет получен определенный спектр альфа-частиц. В действительности же, из-за особых свойств радиоактивных источников и счетчиков спектр будет состоять не из линий, а из «обрывов», соответствующих положению этих линий (рис. 5). По положению «обрывов» и определяют, какие элементы присутствуют в исследуемом образце.

Рис. 5. Типичный спектр, получаемый при анализе, использующем метод «обратно рассеянных альфа-частиц»

Возможность анализа спектров рассеянных альфа-частиц в качестве метода изучения химического состава была известна давно, однако метод не получил распространения в практике лабораторных и промышленных исследований в силу нескольких причин. Например, данный метод позволяет уверенно определить в отдельности содержание в сложных образцах лишь тех элементов, которые расположены в начале периодической таблицы Менделеева. Более тяжелые элементы этим методом практически могут быть определены лишь в виде групп — «от титана до цинка» (9 элементов), все элементы «тяжелее цинка» и т. д. Причем лучше всего можно определить элементы, если детектор регистрирует альфа-частицы, рассеянные на образце в обратном направлении (назад). Кроме того, метод позволяет проводить анализы только в вакууме, при этом только один анализ занимает очень много времени — десятки часов. Впрочем, в рамках программы «Сервейер» (неподвижные станции для локальных исследований Луны) последнее обстоятельство не играло особой роли. В то же время следует отметить, что данный метод дает возможность определить общую картину химического состава вещества и при этом способен указать на аномально высокое содержание каких-либо элементов (или групп элементов). Однако он не позволяет получить детальные сведения о концентрации отдельных элементов, являющихся «представительными» для разных типов горных пород. Все это определило то обстоятельство, что данный метод использовался лишь на первом этапе изучения химического состава грунта.

Разработкой рассматриваемого метода в целях его применения для космических исследований занималась группа ученых Института им. Э. Ферми при Калифорнийском университете (руководитель работ А. Туркевич). Созданная ими аппаратура станций «Сервейер» состоит из блока электроники и блока, в котором расположены радиоактивные источники и детекторы альфа-частиц. Схематическое изображение последнего блока показано на рис. 6. В блоке, установленном на «Сервейере-5», использованы 6 альфа-источников радиоактивного кюрия-242 (период полураспада 163 дня, энергия альфа-частиц 6,11 МэВ) общей активностью около 100 мК. Из-за длительности предстартовых испытаний и в связи с относительно коротким периодом полураспада изотопа необходимо было вставить новый набор источников и провести его калибровку непосредственно перед самым стартом.

Рис. 6. Выносной блок аппарата «Сервейер» (при исследованиях блок опускался на грунт): 1 — детектор альфа-частиц; 2 — радиоактивный источник (альфа-излучатель); 3 — детектор протонов; 4 — исследуемый грунт

Сам блок представлял собой прямоугольный параллелепипед, в нижней части которого имелась круглая пластина, установленная с целью свести к минимуму погружение блока в лунный грунт. В нижней же части блока было круглое отверстие, через которое исследуемый грунт равномерно облучался альфа-частицами. Вблизи альфа-источников располагались два полупроводниковых детектора, регистрировавших альфа-частицы, рассеянные в почти обратном (облучению) направлении (в интервале углов 174 ± 1°). Расстояния от грунта до источников и от детекторов до грунта около 7 см.

Кроме того, в блоке были установлены четыре детектора протонов. Они регистрировали протоны, возникающие при ядерных реакциях, в которых участвовали альфа-частицы и ядра элементов лунного грунта. Полученные спектры протонов давали информацию о содержании наиболее легких элементов и существенно дополняли результаты исследований, проводимых по методу «обратно рассеянных альфа-частиц».