Атмосфера Луны – существует ли она? Лунная атмосфера
Сейчас, когда человек тщательно исследовал поверхность Луны, он узнал много интересного о ней. Но факт, что на Луне нет жизни, человек знал задолго до того, как достиг Луны.
На Луне нет атмосферы. Астрономы установили это, потому что на Луне не бывает сумерек, заката. На Земле ночь наступает постепенно, потому что воздух отражает солнечные лучи даже после захода Солнца. На Луне совсем иначе: только что было светло, и в один момент наступила темнота. Отсутствие атмосферы ведет к тому, что Луна не защищена от любого солнечного излучения. Солнце излучает тепло, свет и радиоволны. Жизнь на Земле зависит от этого тепла и света.
Но Солнце излучает еще и вредную радиацию. Земная атмосфера защищает нас от нее. А на Луне отсутствует атмосфера, которая могла бы поглотить эту вредную радиацию. И все солнечные лучи, полезные и вредные, благополучно достигают поверхности Луны.
Поскольку отсутствует атмосфера, поверхность Луны или чрезмерно горячая, или чрезмерно холодная. Луна вращается, и та сторона, которая повернута к Солнцу, становится очень горячей. Температура может достигать более 150 градусов Цельсия. Это горячей кипящей воды. Жаркий лунный день длится две недели.
За ним следует ночь, которая тоже длится две недели. Ночью температура падает до 125 градусов ниже нуля. Это в два раза холодней, чем температура, которая наблюдается на Северном Полюсе.
При таких условиях не может существовать ни одна из форм жизни, известных на Земле.
Луна - естественный спутник Земли, удаленный от нее на расстояние около 384000 км (239000 миль). Луна намного легче и меньше Земли. Ей требуется 29 дней, чтобы обернуться вокруг Земли. Луна не излучает собственного света, а только отражает свет Солнца. Поскольку Луна путешествует вокруг Земли, она появляется перед нами в различной форме. Эти различные формы мы называем фазами Луны. Они получаются в результате того, что, вращаясь вокруг Солнца, Земля по-разному затеняет Луну. Луна в зависимости от этого отражает различное количество света.
К Земле повернута всегда одна и та же сторона Луны. До 1959 года, когда советский спутник «Луна-3» сфотографировал Луну с обратной стороны, мы не знали, как выглядит ее другое полушарие.
Луна состоит из твердых пород. На ее поверхности видны тысячи кратеров. Там встречаются обширные плоские равнины, покрытые пылью, и высокие горы. Возможно, что кратеры образовались из пузырей, лопавшихся в лунной коре в результате вулканической активности миллионы лет назад. На орбите вокруг Земли Луну удерживает сила земного притяжения. Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. Время от времени вода земных океанов устремляется навстречу Луне. Это вызывает приливы.
Теперь, когда люди уже побывали на Луне, они имеют конкретное представление о спутнике Земли и, соответственно, могут планировать строительство станций па этой планете. Конечно, условия для жизни там достаточно тяжелые. Поверхность Луны буквально изрыта огромными кратерами, есть там и довольно высокие горы, обнаружены большие моря из застывшей вулканической лавы. Когда-то на Луне происходили извержения вулканов, но сегодня они уже бездействуют. Моря и внутренняя поверхность кратеров покрыты толстым слоем пыли. Там нет ни воздуха, ни воды, ни животных, ни растений. На Луне не слышно ни звука, так как звуки распространяются благодаря молекулам воздуха. Поэтому людям для передвижения на Луне нужен специальный скафандр. Жилища человека на Луне должны быть абсолютно герметичными, как батискафы для подводных исследований. Все, что необходимо для поддержания жизнедеятельности, вплоть до самого воздуха, должно доставляться с Земли.
Луна - естественный спутник Земли, при наблюдении за которым возникает немало вопросов как у астрономов, так и у простых людей. И один из самых интересных следующий: существует ли атмосфера Луны?
Ведь если она есть, значит, возможна и жизнь на этом космическом теле, хотя бы самая примитивная. Постараемся ответить на этот вопрос максимально подробно и достоверно, используя последние научные гипотезы.
Большинство людей, задумавшихся над этим, довольно быстро дадут ответ. Конечно, атмосфера Луны отсутствует. Однако на самом деле это не так. Оболочка из газов на естественном спутнике Земли все-таки присутствует. А вот какую плотность имеет, какие газы входяд в состав лунного "воздуха" - это совсем другие вопросы, дать ответы на которые будет особенно интересно и важно.
Насколько она плотная?
К сожалению, атмосфера Луны очень разреженная. К тому же показатель плотности сильно меняется в зависимости от времени суток. Например, ночью на один кубический сантиметр лунной атмосферы приходится около 100 000 молекул газа. Днем этот показатель значительно изменяется - в десять раз. Из-за того что поверхность Луны сильно нагревается, плотность атмосферы падает до 10 тысяч молекул.
Кому-то этот показатель покажется впечатляющим. Увы, даже для самых неприхотливых существ с Земли такая концентрация воздуха будет смертельной. Ведь на нашей планете плотность составляет 27 х 10 в восемнадцатой степени, то есть 27 квинтиллионов молекул.
Если собрать весь газ на Луне и взвесить его, то получится удивительно маленькое число - всего-навсего 25 тонн. Поэтому, оказавшись на Луне без специального снаряжения, ни одно живое существо не сможет долгое время протянуть - хватит его в лучшем случае на несколько секунд.
Какие газы присутствуют в атмосфере
Теперь, когда мы установили, что Луна имеет атмосферу, хоть и очень-очень разреженную, можно перейти к следующему, не менее важному вопросу: какие газы входят в ее состав?
Основными компонентами атмосферы являются водород, аргон, гелий и неон. Впервые пробы были взяты экспедицией в рамках проекта "Аполлон". Именно тогда установили, что в состав атмосферы входят гелий и аргон. Уже значительно позже, используя специальное оборудование, астрономы, наблюдавшие за Луной с Земли, смогли установить, что она содержит также водород, калий и натрий.
Возникает вполне закономерный вопрос: если атмосфера Луны состоит из этих газов, то откуда же они взялись? С Землей все просто - многочисленные организмы, начиная от одноклеточных и заканчивая людьми, 24 часа в сутки превращают одни газы в другие.
А вот откуда взялась атмосфера Луны, если там нет и никогда не было живых организмов? На самом деле газы могли образоваться по самым разным причинам.
В первую очередь различные вещества были занесены многочисленными метеоритами, а также солнечным ветром. Все-таки на Луне выпадает значительно большее количество метеоритов, чем на Земле - опять же благодаря практически отсутствующей атмосфере. Кроме газа они могли принести на наш спутник даже воду! Имея большую плотность, чем газ, она не улетучивалась, а просто собиралась в кратеры. Поэтому сегодня ученые прилагают немало усилий, пытаясь отыскать хотя бы незначительные запасы - это может стать настоящим прорывом.
Как влияет разреженная атмосфера
Теперь, когда мы разобрались, какая атмосфера на Луне, можно внимательнее изучить вопрос о том, какое влияние она оказывает на ближайшее к нам космическое тело. Впрочем, точнее будет признать, что она практически никак не влияет на Луну. А вот к чему это приводит?
Начнем с того, что наш спутник совершенно не защищен от солнечной радиации. В результате, "прогулявшись" по его поверхности без специального, довольно мощного и громоздкого защитного оборудования, вполне можно получить радиоактивное облучение за считаные минуты.
Также спутник беззащитен перед метеоритами. Большинство из них, входя в атмосферу Земли, практически без остатка сгорают от трения об воздух. За год на планету выпадает около 60 000 килограммов космической пыли - вся она была метеоритами разного размера. На Луну же они падают в первозданном виде, так как ее атмосфера слишком разреженная.
Наконец, суточные перепады температуры просто огромные. Например, на экваторе днем почва может нагреваться до +110 градусов по Цельсию, а ночью - остывать до -150 градусов. На Земле этого не происходит благодаря тому, что плотная атмосфера играет роль своеобразного "одеяла", не пропускающего часть солнечных лучей до поверхности планеты, а также не позволяя теплу испариться ночью.
Всегда ли было так?
Как видите, атмосфера Луны представляет собой довольно безрадостное зрелище. Но неужели она всегда была такой? Всего несколько лет назад эксперты пришли к шокирующему мнению - оказывается, нет!
Около 3.5 миллиардов лет назад, когда наш спутник только формировался, в недрах шли бурные процессы - извержения вулканов, разломы, выплески магмы. В ходе этих процессоров в атмосферу выбрасывалось большое количество оксида серы, углекислого газа и даже воды! Плотность "воздуха" здесь в три раза превышала ту, которая сегодня наблюдается на Марсе. Увы, слабое притяжение Луны не смогло удержать эти газы - они постепенно испарялись, пока спутник не стал таким, каким мы можем видеть его в наше время.
Заключение
Наша статья подходит к концу. В ней мы рассмотрели ряд важных вопросов: есть ли атмосфера на Луне, как она появилась, какова ее плотность, из каких газов состоит. Будем надеяться, что вы запомните эти полезные факты и станете еще более интересным и эрудированным собеседником.
Тела солнечной системы - планеты и их спутники - делятся на две группы: имеющие атмосферу и лишенные ее. К первой группе принадлежат все большие планеты, за исключением Меркурия, ко второй - Меркурий и большинство спутников. Это деление определяется величиной тела, точнее, напряжением силы тяжести на его поверхности, зависящей от массы и радиуса тела. Если ускорение силы тяжести па поверхности Земли принять за единицу, то для других планет и Луны получим значения, показанные на таблице.
Сила тяжести Критическая скорость
Луна 0,16 2,4 км/сек.
Меркурий 0,27 3,6 км/сек.
Марс 0,38 5,0 км/сек.
Венера 0,85 10,2 км/сек.
Земля 1,00 11,2 км/сек.
Уран 0,92 21,0 км/сек.
Нептун 1,12 23,0 км/сек.
Сатурн 1,17 36,0 км/сек.
Юпитер 2,64 60,0 км/сек.
В этой таблице Луна и планеты расположены в порядке возрастания критической скорости, называемой также второй космической скоростью. Последняя необходима для того, чтобы всякое тело преодолело инерцией своего движения притяжение планеты и умчалось в космическое пространство. Граница между планетами и спутниками, имеющими атмосферу и лишенными ее, проходит близ Марса, атмосфера которого весьма разрежена. Новый документальный сериал о космосе рассказывает о планетах, лишенных атмосферы.
Объяснение этим фактам дает кинетическая теория газов, согласно которой в каждом газе молекулы обладают быстрым движением (со скоростью, определяемой его молекулярным весом и температурой). Чем легче газ и чем выше температура, тем больше скорость. Так, например, при нуле градусов скорость движения молекул водорода равна 1,84, водяного пара – 0,62, азота - 0,49, кислорода - 0,46 километра в секунду. Однако эти числа дают лишь среднюю скорость движения молекул, так как под влиянием случайных взаимных столкновении отдельные молекулы приобретают скорость, сильно отличающуюся от средней. Скорости, превосходящие в два раза среднюю, встречаются у 20 процентов молекул, в три раза - только у 0,3 процента. При дальнейшем увеличении скорости вероятность приобретения молекулой скорости, в пять раз превышающей среднюю, совершенно ничтожна.
Применим эту теорию к атмосферам планет. Если температура и природа газа в верхних частях атмосферы таковы, что средняя скорость движения молекул в три раза меньше критической, то примерно из 300 молекул одна будет иметь критическую скорость и улетит из атмосферы в космическое пространство. Иначе говоря, такая молекула будет потеряна для планеты. Если подобный процесс будет идти непрерывно, то скоро планета утратит всю свою газовую оболочку. Но если средняя скорость молекул окажется в пять раз меньше критической, то положение резко изменится; молекул со скоростью, равной или большей критической, будет так мало и они будут возникать так редко, что о какой-нибудь заметной утечке газа говорить не придется и атмосфера будет прочно удерживаться планетой. Однако повышение температуры сильно ускоряет процесс утечки атмосферы: газ, который при нуле градусов еще совсем не улетучивается, при 100 градусах довольно быстро окажется потерянным планетой.
Газы атмосферного воздуха, казалось, могли бы удерживаться Луной. Однако в течение дня, длящегося на Луне две недели, температура ее поверхности повышается до 100 градусов, а при такой жаре ни кислород, ни азот не могли на ней надолго удержаться. В безвоздушном пространстве вода легко закипает, образуя легкий водяной пар, который и подавно улетучивается. Вот почему Луна теперь лишена атмосферы и воды, хотя, по всей вероятности, она имела их в далеком прошлом.
Вопрос этот принадлежит к тем, которые уясняются, если сначала их, так сказать, перевернуть. Прежде чем говорить о том, почему Луна не удерживает вокруг себя атмосферу, поставим вопрос: почему удерживается атмосфера вокруг нашей собственной планеты? Вспомним, что воздух, как и всякий газ, представляет хаос не связанных между собой молекул, стремительно движущихся в различных направлениях. Средняя их скорость при t = 0 °C - около "А км в секунду (скорость ружейной пули). Почему же не разлетаются они в мировое пространство? По той же причине, по какой не улетает в мировое пространство и ружейная пуля. Истощив энергию своего движения на преодоление силы тяжести, молекулы падают обратно на Землю. Вообразите близ земной поверхности молекулу, летящую отвесно вверх со скоростью А км в секунду. Как высоко может она взлететь? Нетрудно вычислить: скорость v, высота подъема h и ускорение силы тяжести g связаны следующей формулой:Подставим вместо v его значение - 500 м/с, вместо g - 10 м/с, имеем 250 000 = 20h,
откуда
h = 12 500 м = 12/км.
С запуском в Советском Союзе 4 октября 1957 г. первого искусственного спутника Земли в этом можно было легко убедиться. (Прим. ред.)
Но если молекулы воздуха не могут взлетать выше 12"А км, то откуда берутся воздушные молекулы выше этой границы? Ведь кислород, входящий в состав нашей атмосферы, образовался близ земной поверхности (из углекислого газа в результате деятельности растений). Какая же сила подняла и удерживает их на высоте 500 и более километров, где безусловно установлено присутствие следов воздуха? Физика дает здесь тот же ответ, какой услышали бы мы от статистика, если бы спросили его: «Средняя продолжительность человеческой жизни 70 лет; откуда же берутся 80-летние старики?» Все дело в том, что выполненный нами расчет относится к средней, а не реальной молекуле. Средняя молекула обладает секундной скоростью в "А км, но реальные молекулы движутся одни медленнее, другие быстрее средней. Правда, процент молекул, скорость которых заметно отклоняется от средней, невелик и быстро убывает с возрастанием величины этого отклонения. Из всего числа молекул, заключающихся в данном объеме кислорода при 0°, только 20 % обладают скоростью от 400 до 500 м в секунду; приблизительно столько же молекул движется со скоростью 300-400 м/с, 17 % - со скоростью 200-300 м/с, 9 % - со скоростью 600-700 м/с, 8 % - со скоростью 700-800 м/с, 1 % - со скоростью 1300-1400 м/с. Небольшая часть (меньше миллионной доли) молекул имеет скорость 3500 м/с, а эта скорость достаточна, чтобы молекулы могли взлететь даже на высоту 600 км.
Действительно, 35002 = 20h, откуда h=12250000/20 т. е. свыше 600 км.
Становится понятным присутствие частиц кислорода на высоте сотен километров над земной поверхностью: это вытекает из физических свойств газов. Молекулы кислорода, азота, водяного пара, углекислого газа не обладают, однако, скоростями, которые позволили бы им совсем покинуть земной шар. Для этого нужна скорость не меньше 11 км в секунду, а подобными скоростями при невысоких температурах обладают только единичные молекулы названных газов. Вот почему Земля так прочно удерживает свою атмосферную оболочку. Вычислено, что для потери половины запаса даже самого легкого из газов земной атмосферы - водорода - должно пройти число лет, выражающееся 25 цифрами. Миллионы лет не внесут никакого изменения в состав и массу земной атмосферы.
Чтобы разъяснить теперь, почему Луна не может удерживать вокруг себя подобной же атмосферы, остается досказать немного.
Напряжение силы тяжести на Луне в шесть раз слабее, чем на Земле; соответственно этому скорость, необходимая для преодоления там силы тяжести, тоже меньше и равна всего 2360 м/с. А так как скорость молекул кислорода и азота при умеренной температуре может превышать эту величину, то понятно, что Луна должна была бы непрерывно терять свою атмосферу, если бы она у нее образовывалась.
Когда улетучатся наиболее быстрые из молекул, критическую скорость приобретут другие молекулы (таково следствие закона распределения скоростей между частицами газа), и в мировое пространство должны безвозвратно ускользать все новые и новые частицы атмосферной оболочки.
По истечении достаточного промежутка времени, ничтожного в масштабе мироздания, вся атмосфера покинет поверхность столь слабо притягивающего небесного тела.
Можно доказать математически, что если средняя скорость молекул в атмосфере планеты даже втрое меньше предельной (т. е. составляет для Луны 2360: 3 = 790 м/с), то такая атмосфера должна наполовину рассеяться в течение нескольких недель. (Устойчиво сохраняться атмосфера небесного тела может лишь при условии, что средняя скорость ее молекул меньше одной пятой доли от предельной скорости.) Высказывалась мысль - вернее, мечта, - что со временем, когда земное человечество посетит и покорит Луну, оно окружит ее искусственной атмосферой и сделает таким образом пригодной для обитания. После сказанного читателю должна быть ясна несбыточность подобного предприятия.
Отсутствие атмосферы у нашего спутника - не случайность, не каприз природы, а закономерное следствие физических законов.
Понятно также, что причины, по которым невозможно существование атмосферы на Луне, должны обусловливать ее отсутствие вообще на всех мировых телах со слабым напряжением силы тяжести: на астероидах и на большинстве спутников планет.
