Как лунное вещество было “извергнуто” из Земли.

Каким же образом Луна оказалась на орбите около Земли?

Мы достаточно наглядно убедились в том, что она действительно не могла “оторваться” от Земли и плавно перейти через “особую точку” 14,5 тыс. км, также как не могла и “прийти со стороны”, поскольку это потребовало бы колоссальных затрат энергии из “сторонних источников”.

Становится совершенно очевидным, что это могло произойти только в результате “заброса” вещества Луны в околоземное пространство.

Впрочем, это отнюдь не означает, что мы обязательно должны принять гипотезу столкновения “по касательной” Земли с загадочной “блуждающей” планетой, которой даже было дано романтичное имя Тейя.

Этот сценарий действительно предполагает колоссальный выброс вещества, однако вопрос о составе “выброшенного вещества” при этом не находит ответа (он должен быть смешанным), также как и вопрос о том, куда делась эта планета после столкновения “по касательной” с Землей.

Но “выброс” вещества мог происходить совершенно иначе!

Дело в том, что фактически остался без внимания еще один весьма вероятный механизм “доставки” вещества Земли на околоземную орбиту. Необходимо иметь в виду, что миллиарды лет назад Земля очень быстро вращалась и была значительно горячее (хотя и не была, как утверждают исследователи, полностью расплавленной). Поэтому в ту далекую эпоху столкновения крупных космических тел с Землей (коих тогда было великое множество) приводило к разрушению относительно тонкой земной коры, и эти глыбы исчезали в пучине расплавленного вещества Земли. Но достаточно представить себе падение камня в воду, чтобы понять какие огромные столбы расплава и “брызг” при этом поднимались в околоземное пространство!

На рис. 7 представлена одна из подобных “картинок”.

Естественно, что огромных “всплесков” было много, и Луна могла образоваться даже не в результате какого-то единичного события, а в результате объединения вещества, “извергнутого” из Земли в течение довольно длительного “бурного” периода интенсивной бомбардировки Земли.

Однако читатель может сказать, что взметнувшееся таким образом вверх вещество “благополучно” падало обратно на поверхность Земли. Но это утверждение справедливо лишь отчасти. Значительная часть вещества действительно падала обратно, но так как мы имеем дело с быстро вращавшейся системой и с космическими скоростями падавших глыб, то высота подъема “брызг” и скорость вращения могли оказаться достаточными для перевода земного вещества на околоземную орбиту.

Рис. 7. Падение в жидкость камня (или капли жидкости) вызывает обратный выброс в виде поднимающегося вверх “столба” жидкости и брызг.

Чтобы проиллюстрировать возможность выхода “извергнутого” вещества на околоземную орбиту, обратимся к уже начатым расчетам. Сравним скорость поверхности Земли в области экватора, определяемую вращением, со скоростью движения Луны на орбите.

Дело в том, что чем выше орбита Луны, тем меньшая скорость ей “нужна”, чтобы “держаться” на орбите. Сейчас эта скорость составляет всего около 1 км/с. Скорость вращения Земли при этом тоже падает (рис. 8), а отношение скоростей меняется с увеличением расстояния в очень широких пределах.

Рис. 8. Скорость Луны (верхняя кривая) и скорость поверхности Земли уменьшаются при увеличении расстояния между Луной и Землей.

На рис. 9 показано, как меняется отношение скорости поверхности Земли (тангенциальная скорость в результате вращения) к скорости движения Луны по орбите при изменении расстояния между Луной и Землей.

 

Рис. 9. Отношение скорости поверхности Земли к скорости Луны в зависимости от расстояния между Луной и Землей.

Видно, что в далеком прошлом эти скорости сближались:

при расстоянии 60 тыс. км скорость поверхности Земли достигала 70% от скорости движения Луны по орбите;

при 140 тыс. км наблюдался максимум в 80%, а при дальнейшем увеличении расстояния это отношение медленно уменьшалось.

Таким образом, “извергнутое” с поверхности Земли вещество (если высота выброса имела некоторый “запас” и покрывала указанный недостаток скорости в 20 – 30%) действительно могло удерживаться на околоземной орбите. А если учесть, что масса Луны почти на два порядка (в 81 раз) меньше массы Земли, то такой “способ доставки” относительно небольшого количества вещества на околоземную орбиту представляется вполне реальным.

　

Ранний период жизни Луны

После того, как Луна сформировалась, ее собственная угловая скорость вращения не совпадала с угловой скоростью вращения вокруг Земли. Поэтому в “молодые годы” Луна поворачивалась относительно Земли, а не была к ней обращена все время одной и той же стороной, как сейчас.

Почему мы говорим об этом с такой уверенностью?

С одной стороны, само по себе абсолютно точное совпадение этих скоростей вращения в процессе формирования нашего спутника было бы весьма маловероятным, а с другой стороны, анализируя особенности поверхности самой Луны, можно найти множество подтверждений этого несовпадения.

Более того, выравнивание скоростей вращения, произошедшее уже значительно позже, отразилось самым драматическим образом не только на состоянии поверхности Луны, но и на ее внутренней структуре.

Именно тогда произошли колоссальные разливы расплавленной магмы на видимой стороне Луны, названные “морями” и “океанами”. Это впечатляющее событие в жизни Луны навсегда определило ее облик. Попробуем представить себе, как развивался этот грандиозный по своим масштабам процесс.

Итак, в самом начале, когда Луна достаточно медленно, но все-таки еще поворачивалась разными сторонами относительно Земли, поверхность Луны подвергалась равномерной бомбардировке метеоритами. Однако под влиянием мощных приливов, существовавших на Луне (из-за малого расстояния до Земли) скорость вращения Луны постепенно уменьшалась. И наконец, около 3,5 миллиардов лет назад видимое с Земли вращение прекратилось, перейдя в постепенно затухающее качание наподобие маятника вокруг точки равновесия, после чего Луна навсегда повернулась к Земле одной стороной.

К каким последствиям это привело?

Важнейшим из этих последствий явилось то, что неоднородность сил, действующих на вещество Луны, вызвала деформацию и перераспределение вещества – центр тяжести Луны сместился в сторону Земли и перестал совпадать с геометрическим центром.

Образно говоря, на каждый кубический метр вещества Луны, масса которого численно равна плотности ρ, действует сила гравитационного притяжения Земли (обратно пропорционально квадрату расстояния до ее центра) и центробежная сила (прямо пропорционально этому расстоянию):

(7)

Луна имеет достаточно большие размеры, и поэтому дальняя ее часть испытывает на себе суммарную силу отталкивания от Земли, а ближняя, наоборот, испытывает суммарную силу притяжения к Земле. И только где-то вблизи центра суммарная сила f_s равна нулю (рис. 10, полагаем ρ = 1). Кроме того, из-за достаточно больших размеров Луна ощущает на себе и нелинейность действующих сил (рис. 11). Можно сказать, что эти силы не только испытывают Луну “на разрыв”, но и смещают ее центр тяжести!

Попробуем подробнее разобраться, как это происходит.

Результирующая сила (центробежная сила плюс сила гравитационного притяжения к Земле), действующая на каждый килограмм вещества Луны (рис. 10), производит впечатление величины, линейно зависящей от расстояния до Земли. Поэтому, чтобы выявить “почти незаметные” особенности суммарной силы f_s (7), нам придется провести дополнительные вычисления (полагаем ρ = 1).

Используя рис. 10, будем отдаляться от центра (где сила равна нулю) шаг за шагом, и складывать силы, действующие на вещество Луны в симметрично расположенных относительно центра точках. Так как в таких симметрично расположенных точках сила f_s имеет противоположные знаки, то итог суммирования покажет, какая из этих сил больше по абсолютной величине, а получающийся в результате график зависимости (от расстояния до центра) “попутно” выявит и нелинейность. Результат вычислений показан на рис. 11.

Для осуществления этих построений диаметр Луны, ориентированный в сторону Земли, был разбит на 30 отрезков (по 15 с каждой стороны относительно центра). Затем попарно сложенные силы в симметрично расположенных точках пронумерованы в зависимости от их расстояния до центральной (нулевой) точки.

 

Рис. 10. Вещество Луны, расположенное ближе к Земле, испытывает силу притяжения, а дальние области испытывают воздействие отталкивающей силы.

Графики, показанные на рис. 10 и рис. 11, дают возможность оценить последствия, которые принесли с собой принципиально новые условия, возникшие после прекращения наблюдаемого с Земли вращения Луны.

Во-первых, при симметричном расположении вещества Луны относительно “нулевой” центральной точки, общее равновесие сил, как суммарный нулевой итог по всему веществу, оказывается принципиально недостижимым. Этот вывод является очевидным следствием того, что попарно сложенные силы в симметричных точках всегда дают преобладание силы притяжения (рис. 11).

Второй важный вывод заключается в том, что “рассогласование” противоборствующих сил (центробежной силы и силы притяжения к Земле) очень быстро нарастает при удалении от “нулевой” точки (где они равны друг другу).

Обе эти особенности суммарной силы, очевидно, привносятся силой притяжения, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния до Земли, в отличие от линейной зависимости центробежной силы.

Рис. 11. График, демонстрирующий несимметричность и нелинейность суммарной силы, действующей на вещество Луны.

Такое “доминирование” и нелинейность гравитационных сил Земли привели к тому, что центр тяжести Луны, где располагается более плотное ядро, оказался смещенным в сторону Земли. Именно это смещение центра тяжести в сочетании с качанием вокруг точки равновесия привело к деформации и раздроблению “на мелкие кусочки” твердой оболочки Луны.

Рис. 12. Градиенты гравитационного поля Луны [4].

Совсем недавно при зондировании гравитационного поля Луны были обнаружены явные признаки такого раздробления (рис. 12). К тем же далеким временам относятся “странные” внутренние линейные разломы колоссальных размеров, которые невозможно объяснить метеоритной бомбардировкой.

Поэтому сразу же после произошедшего “ориентирования” Луны одной стороной к Земле, во внутренние разломы “измельченной” оболочки начала проникать жидкая магма, постепенно затапливая низины и образуя “моря” и “океаны”, которые мы и поныне наблюдаем на поверхности Луны.

Несомненно, что такому свободному разливу магмы по поверхности Луны, постоянно обращенной к Земле, в немалой степени способствовал “подогрев”, создаваемый мощным потоком тепла от горячей поверхности Земли. Не будем забывать, что в те далекие времена Луна была значительно ближе к Земле, а Земля была в “почти расплавленном” состоянии.

Внимательно рассматривая подробную съемку поверхности Луны, можно найти множество подтверждений описанным выше событиям. В частности, во многих местах видно, что расплавленная магма действительно просачивалась из глубинных слоев, оказываясь даже внутри кольцевых горных массивов и “старых” кратеров, а возвышенности буквально “плавали”, перемещаясь под воздействием потоков расплавленной магмы (рис. 13).

Рис. 13. Расплавленная магма просачивалась изнутри и заливала низины и “старые” кратеры [5].

Видно также, что расплавленная магма заливала уже сложившийся задолго до этого рельеф поверхности с характерными следами длительной интенсивной метеоритной бомбардировки. Этот рельеф как раз был сформирован в период, предшествовавший прекращению видимого с Земли вращения Луны вокруг оси. Исследования показали, что разливы магмы действительно происходили почти на миллиард лет позже образования самой Луны.

В этот период заливаемая расплавом поверхность Луны продолжала подвергаться метеоритной бомбардировке. Поэтому в местах падения метеоритов возникали непосредственные “проходы” для магмы на поверхность в виде пробоин в размягченной оболочке. Такие пробоины, заполненные тяжелой лавой, образовали гравитационные аномалии, названные масконами. Исходя из рассмотренного механизма образования этих гравитационных аномалий, нет ничего удивительного в том, что они располагаются, как правило, в центре больших разливов магмы на видимой стороне Луны.

На обратной стороне имели место противоположные эффекты.

Там возникали отрицательные гравитационные аномалии, так как расплавленные недра Луны имели “тенденцию оттока” в противоположную сторону. А замещали их в приповерхностных слоях более легкие породы, в результате чего кора становились толще, холоднее и прочнее, а горы – выше.

Таким образом, последствия остановки видимого вращения Луны оказались для нее по-настоящему драматичными! Они буквально потрясли ее, вызвав разрушение и измельчение твердой оболочки с последующим невиданным разливом расплавленной магмы по поверхности. Произошло изменение внешней формы, смещение центра тяжести и деформация внутренней структуры.

Зато в ходе этих испытаний Луна приобрела свое неповторимое лицо с немного грустными “глазами”, созерцающими уже многие тысячелетия нашу странную суетную жизнь на Земле.

　

Заключение

Мы не могли, да и не ставили перед собой задачи ответить на все вопросы загадочной истории “взаимоотношений” Луны и Земли. Чем глубже в далекое прошлое мы пытаемся заглянуть, тем труднее это сделать. Однако в целом картина все-таки прояснилась, приоткрыв некоторые тайны прошлого и показав возможное развитие событий в будущем.

Полезным инструментом при проведении этого “расследования” оказались расчеты и анализ основных механических параметров системы Земля-Луна.

В частности, проведенные расчеты дали возможность получить наглядные дополнительные аргументы против версии возникновения Луны в результате “отрыва” от Земли, впрочем, как и против версии ее “захвата со стороны”. Максимум суммарной механической энергии системы Земля-Луна, имеющийся в “особой точке” (при расстоянии от Луны до Земли около 14,5 тыс. км), указывает на невозможность плавного удаления Луны от Земли с переходом через это критическое расстояние. С другой стороны, захват стороннего космического тела и перевод его на относительно низкую орбиту вокруг Земли оказывается не возможным из-за колоссальных затрат энергии из “стороннего” источника, которые требуются для реализации этого сценария развития событий.

Можно отказаться и от сомнительной гипотезы образования Луны вследствие столкновения Земли “по касательной” с загадочной “блуждающей” планетой. Дело в том, что из-за очень быстрого вращения Земли вокруг своей оси в далеком прошлом скорость на экваторе достигала 70-80% от скорости движения Луны по околоземной орбите. С учетом этого земное вещество могло быть “заброшено” на орбиту в процессе бомбардировки Земли крупными метеоритами. Падение больших космических тел на “почти расплавленную” Землю было тогда отнюдь не редкостью и вызывало обратный всплеск с мощным выбросом вверх расплавленного вещества. Учитывая, что масса Луны почти на два порядка (в 81 раз) меньше массы Земли, “заброс” такого количества вещества на околоземную орбиту вследствие интенсивной бомбардировки поверхности Земли космическими телами представляется вполне реальным.

Следует учесть, что только Земля среди планет солнечной системы имела столь большую скорость вращения. Земные сутки составляли около 5 часов! Именно эта особенность Земли сделала возможным такой простой и эффективный способ “вывода” вещества на околоземную орбиту и обеспечила нашей планете истинную привилегию в виде очаровательной “спутницы”.

Рассмотренный нами механизм “доставки” на околоземную орбиту вещества, давший начало образованию Луны, предполагает, что этим веществом, в основном, была расплавленная мантия верхних слоев Земли.

Это находит свое отражение в удивительной однородности вещества Луны и в его относительно небольшой плотности.

Обращает на себя внимание и то, что эти застывшие магматические массы придают поверхности Луны удивительную прочность. Поэтому даже крупные метеориты, врезающиеся в поверхность Луны с колоссальными скоростями, не оставляют глубоких повреждений – кратеры обычно имеют относительно малую глубину в сравнении с диаметром воронки.

Закономерным выглядит и то, что у Луны практически отсутствует плотное ядро, которое обычно состоит из тяжелых металлов. По этой причине в составе Луны трудно также ожидать присутствия достаточного количества радиоактивных материалов для осуществления внутреннего разогрева за счет ядерных реакций.

Анализ механических характеристик системы наглядно показал, что наблюдаемое отдаление Луны от Земли было бы не возможно без параллельного процесса превращения механической энергии системы в тепловую энергию за счет приливов. Эта мощность, которую приливы переводят в тепло (3,1·10¹² Вт), имеет тот же порядок величины, что и мощность всех имеющихся электростанций на Земле - около 2,3·10¹² Вт. Этот же процесс превращения механической энергии системы в тепло делает отдаление Луны от Земли необратимым.

Такая необратимость развития системы является еще одним напоминанием о существовании своеобразного “вектора времени” в природе, а в данном случае – в “чисто механических” процессах космического масштаба.

Расчеты дали возможность наглядно убедиться и в том, что наблюдаемое уменьшение продолжительности земных суток в среднем на 0,002 с за 100 лет в конечном итоге связано с удалением Луны от Земли (на 3,8 см в год).

Вместе с тем, дальнейшее увеличение расстояния Земля-Луна за пределы “критического” значения - около 492 тыс. км, приведет к переходу общей механической энергии системы в область отрицательных значений. Это означает, что процесс превращения общей механической энергии системы в тепло, сопровождающий удаление Луны от Земли, в конце концов, сформирует “потенциальную яму”, и Луна никогда не сможет “уйти” от Земли.

Предельным расстоянием до Луны будет 556 тыс. км, при котором земные и лунные сутки станут одинаковыми и составят 47,7 нынешних земных суток.

Но наиболее интересные результаты дало “расследование” событий, в результате которых Луна покрылась “морями” и “океанами”.

Этот невероятный по своим масштабам разлив расплавленной магмы начался ориентировочно миллиард лет спустя после “рождения” Луны.

В предшествовавший этой трагедии период Луна вращалась, поворачиваясь к Земле то одной, то другой стороной. Поэтому ее поверхность оказалась довольно равномерно “украшена” кратерами от интенсивной бомбардировки метеоритами. Но именно в это время из-за мощных приливов вращение Луны вокруг своей оси постепенно замедлялось, приближая неизбежные катастрофические события.

Дело в том, что неоднородность гравитационного поля Земли привела к смещению центра тяжести Луны, и поэтому остановка вращения (относительно направления Луна-Земля) сменилась затухающими колебаниями Луны вокруг положения равновесия. Сочетание этих процессов привело к разрушению и последующему измельчению твердой оболочки Луны.

В результате, через образовавшиеся трещины под воздействием неоднородного гравитационного поля Земли началось повсеместное истечение раскаленного жидкого вещества недр на поверхность Луны.

Следует особо подчеркнуть, что разливы расплавленной магмы по видимой поверхности Луны достигли столь впечатляющих масштабов из-за совпадения сразу нескольких способствовавших этому факторов:

- остановка вращения и последовавшие за этим колебательные движения Луны на фоне смещения ее центра тяжести приводили к разрушению и постоянному “перетряхиванию” фрагментов твердой оболочки Луны;

- неоднородность сил гравитации в те далекие времена была намного больше, так как расстояние до Земли было существенно меньше;

- действовал фактор дополнительного подогрева видимой поверхности Луны из-за близости раскаленной, “почти расплавленной” Земли.

Фотографии Луны дают возможность и в наши дни ощутить размах этого ужасающего события. Расплавленная магма повсеместно просачивалась изнутри на поверхность, пропитывая пористую кору, заливая низменности, проникая внутрь древних кратеров и деформируя целые горные массивы. Видимая поверхность Луны превратилась в огромное огнедышащее море!

Разливы магмы происходили в течение длительного периода, а не были однократным процессом, так как Луна совершала разрушительные колебательные движения, а метеоритная бомбардировка все еще оставалась интенсивной.

Складывается впечатление, что еще немного и вся видимая поверхность Луны была бы заполнена расплавом! К счастью, этого не произошло, и мы имеем возможность созерцать этот удивительный романтичный лик Луны.

По своим масштабам происходившие тогда процессы даже трудно сравнивать с относительно небольшими локальными разрушениями от ударов отдельных метеоритов. В то же время, удары крупных метеоритов по размягченной видимой поверхности Луны делали глубокие пробоины в твердой оболочке, которые тут же заполнялись тяжелой лавой. Так образовались гравитационные неоднородности, названные масконами.

Теперь Луна уже не так молода, она несколько остыла и почти успокоилась, но не утратила очарования, привлекая наши восторженные взоры, продолжая интриговать и будоражить наше воображение так и не раскрытыми еще тайнами.

Литература

1. Галимов Э.М., академик, ГЕОХИ РАН. Происхождение Луны. Российская концепция против “американской”. "ЗиВ", №6/2005 г. http://ziv.telescopes.ru/rubric/astronomy/index.html?pub=9

2. Верин О.Г. Солитон и физика. http://technic.itizdat.ru/users/verin

3. Физические величины. Справочник. Энергоатомиздат. 1991 г.

4. Гравитационное поле Луны, измеренное миссией NASA GRAIL http://universetoday-rus.com/blog/2012-12-22-838

5. Карта Луны. http:// astroweb. ru / maps _/ moonmap. htm

 

Дата публикации: 17 сентября 2013