Новое о термических свойствах Луны

Новое о термических свойствах Луны

Изменения температуры поверхностного слоя Луны в течение лунатизма (при различных фазах Луны) и во время лунных затмений регистрируются в инфракрасном и радиодиапазонах. В первом измеряют тепловое излучение, исходящее от поверхности Луны и характеризующее поэтому ее температуру, во втором — тепловое излучение, идущее с некоторой глубины — тем большей, чем длиннее волна, на которой проводятся наблюдения. Сопоставление результатов подобных наблюдений температурных измерений с результатами теоретических расчетов для различных моделей поверхностного слоя Луны позволяет выяснить важные физические характеристики этого слоя.

Большинство исследователей считало, что теплопроводность и теплоемкость вещества, слагающего поверхностный слой Луны, не зависят от температуры. В этом случае обработка наблюдений в инфракрасных лучах приводила к значению у ~ 1000 см2 - град - кал-1 сек'/г, тогда как радиоастрономические наблюдения, выполненные В. С. Троицким с сотрудниками, дали значение у ~ 350.

В диапазоне температур, встречающихся на лунной поверхности, теплопроводность сплошных горных пород действительно мало зависит от температуры. Однако у порошков, находящихся в вакууме, обычная теплопроводность, осуществляемая через движение молекул (в частности, через кристаллическую решетку), очень мала. Поэтому в порошках, и вообще в очень пористых телах, в вакууме существенную роль играет лучистая теплопроводность, т. е. перенос тепла радиацией через поры и пустоты. Лучистая теплопроводность сильно зависит от температуры [она пропорциональна Т3, где Т — абсолютная температура), а потому и суммарная теплопроводность тоже оказывается существенно зависящей от температуры. Из экспериментов известно, что при Т = 350° К лучистая теплопроводность порошков в вакууме может в 2—3 раза превосходить обычную и, следовательно, играет важную роль в лунном диапазоне температур.

Как показали английские исследователи Клегг, Бастин и Джир, результаты наблюдений собственного излучения Луны в инфракрасном и радиодиапазонах можно привести в единую систему, если учесть лучистую теплопроводность. Оказывается, при 300° К лучистая теплопроводность в рыхлом поверхностном слое достигает 50% общей теплопроводности, а во время лунного дня, когда на поверхности температура подымается до 400° К, роль лучистой теплопроводности еще больше. Наблюдая инфракрасное излучение ночной части лунного диска, Мэррей и Вильди обнаружили, что, как только температура поверхности Луны падает ниже 170° К, дальнейшее остывание ее происходит быстрее, чем можно было ожидать. Это связано с уменьшением теплопроводности и замедлением притока тепла из прогретых днем подповерхностных слоев и косвенно подтверждает значительную роль лучистой теплопроводности.

Несколько другим путем выявил важную роль лучистой теплопроводности в поверхностном слое Луны астроном Гарвардской обсерватории (США) Дж. Лински (Scientific Report № 8, January 15, 1966). Он вычислил для ряда моделей поверхностного слоя те характеристики лунного излучения, которые получаются из наблюдений, и затем сравнил их с результатами наблюдений. В некоторых моделях термические свойства — теплопроводность и теплоемкость — считались зависящими от температуры, а в других принимались постоянными.

В качестве наблюдательных данных Лински широко использовал измерения радио яркости Луны на разных длинах волн, выполненные В. С. Троицким с сотрудниками. Эти наблюдения особенно точны, поскольку калибровались с помощью «искусственной Луны» . Наблюдения В. С. Троицкого и его сотрудников, а также наблюдения зарубежных исследователей выявили увеличение средней температуры по мере погружения под поверхность, внутрь лунного поверхностного слоя.

Лински показал, что наблюдения можно согласовать с различными моделями поверхностного слоя Луны — как с такими, в которых термические свойства зависят от температуры (однородная модель), так и с такими, в которых эта зависимость отсутствует (двухслойная модель: наружный слой толщиной 30 см с V = 107,5, а дальше вещество с у = 250).

Следует подчеркнуть, что речь идет о простейших моделях лунной поверхности, которые позволяют объяснить результаты измерений ее температуры, проведенных в инфракрасном и радиодиапазонах. В то же время вся совокупность наших знаний о поверхности Луны дает основание предполагать, что поверхностный слой Луны на самом деле не вполне однороден, а в нем происходит постепенное нарастание плотности от чрезвычайно рыхлого и пористого наружного слоя до плотности скальных пород на глубине нескольких десятков метров (в среднем). Местами плавные изменения свойств с глубиной могут сочетаться с заметной слоистостью. Кроме того, даже инфракрасные наблюдения, не говоря уже о радиоастрономических, дают усредненные характеристики для довольно больших участков лунной поверхности.

Вернемся, однако, к моделям Лински. В них у при температуре 350° К заключено между 625 и 1075. Лински отвергает полученную В. Д. Кротиковым и В. С. Троицким низкую величину у ~ 350, указывая, что она основана не только на радиоастрономических наблюдениях, но и на неточном значении температуры в противосолнечной точке (120° К), определенной Синтоном, и других ненадежных данных. Лински считает надежным для ночной стороны Луны результат Лоу, получившего среднюю (для разных участков) температуру перед восходом Солнца 90° К. Правда, в отдельных местах она опускается ниже 70° К, либо остается выше 150° К. У семи моделей поверхностного слоя, вычисленных Лински, температуры перед восходом Солнца лежат в этих пределах.

Исключительно интересен результат расчетов теплового потока из недр Луны к поверхности, сделанных Лински. Обработка радиоастрономических наблюдений на основе моделей с теплопроводностью, зависящей от температуры «учет зависимости теплоемкости от температуры мало влияет на результаты), дает величину теплового потока в пределах (0,27—0,42) Ю-6 кал/см2 сек. Такой же поток получается при расчетах термической истории для Луны, содержащей столько же радиоактивных элементов, сколько их в каменных метеоритах. Но когда те же самые радиоастрономические наблюдения обрабатываются на основе моделей с теплопроводностью.

не зависящей от температуры, то тепловой поток оказывается на порядок больше: (3,7—5,7)-10~6, что требует неприемлемо большой генерации тепла в недрах Луны. Лински убедительно показал, что этот иллюзорный результат получается из-за того, что наблюдения Луны, имеющей одни термические свойства поверхностного слоя, обрабатываются с использованием модели, предполагающей иные, не соответствующие действительности, тепловые свойства.

Характеристики наиболее вероятных моделей Лински — тех, в которых учтена лучистая теплопроводность,— позволяют оценить средние размеры пор или пустот между частичками поверхностного слоя Луны. Они оказались примерно 0,1—0,3 мм. Это на порядок больше, чем поры, предполагаемые Хапке и Ван Хорном на основании фотометрических данных. Несомненно, имеются поры всевозможных размеров, но их усреднение в обоих случаях происходит по разным интервалам размеров, поэтому расхождение не особенно серьезно.

Кривые измерения радио яркостной температуры центра лунного диска в течение лунации, рассчитанные Лински для ряда длин волн, прекрасно согласуются с наблюдениями на тех же волнах, выполненными на радиотелескопах с высокой разрешающей способностью, позволяющей регистрировать излучение не от всего лунного диска, а от отдельных, хотя и крупных, участков его, и, в частности, дающие возможность выделить излучение лишь центральной зоны лунного диска (см. рисунки). Хорошее согласие получается также между кривой изменения температуры малого участка лунной поверхности во время затмения 1939 г., полученной Петтитом путем наблюдения в инфракрасной области спектра, и теоретическими кривыми, вычисленными Лински для всех его семи моделей.

Во время лунного затмения 30 декабря 1963 г. В. С. Троицкий с сотрудниками измерили радио яркостную температуру середины диска на волнах около 1 мм, а Лоу и Дэвидсон провели аналогичные измерения во время затмения 19 декабря 1964 г., очень сходного по своим геометрическим характеристикам с затмением 1963 г. По непонятным причинам между результатами наблюдений обоих затмений получились заметные расхождения. Теоретические же кривые Лински проходят как раз посредине между двумя наблюденными кривыми.

Таким образом, расчеты Лински показывают, что учет лучистой теплопроводности, играющей заметную роль вследствие пористости поверхностного слоя Луны, приводит к полному согласию все измерения температуры Луны, выполненные в инфракрасном и радиодиапазонах, и устраняет неверный вывод о том, что тепловой поток, поступающий из недр Луны к поверхности, якобы в несколько раз больше, чем может быть при метеоритном составе Луны.

Источник - abc-24.info