Исследование Луны космическими методами: прошлое, настоящее и будущее

Размещено на http://www.allbest.ru/

Профессиональное училище № 030

Реферат

«Исследование Луны космическими методами: прошлое, настоящее и будущее»

Выполнил

Мазанов Дмитрий

гр. № 38

Казань 2007г.

Введение

В настоящее время Луна стала объектом многих космических экспериментов и фокусом внимания ведущих специалистов в области астрономии и планетологии. Очень долгое время, вплоть до конца XX века, Луну считали холодным небесным телом, превратившимися в застывший камень уже более 3 миллиардов лет На повестку дня на современном этапе выходят исследование и описание особенностей орбитально-вращательной и внутренней динамики Луны, которая рассматривается как деформируемое небесное тело, имеющее сложную внутреннюю стратиграфию. Ожидается получить более эффективные модели внутреннего строения Луны, разработать аналитическое и численное решение динамических моделей, необходимое программное обеспечение для лунных предстоящих лунных миссий и, в перовую очередь, для построения намеченной на 12-е-20-е годы обитаемой лунной базы.

Видимая сторона Луны

Исходным материалом для отображения рельефа лунной поверхности на картах служат фотографии, полученные наземными телескопами, а также автоматическими и пилотируемыми космическими аппаратами. Причем, следует иметь в виду, что одна фотография какого-либо участка поверхности не может передать все особенности данного региона, поскольку вид лунной поверхности на снимках меняется в значительной степени при изменении условий освещения. В лучших фотографических атласах видимой стороны Луны обычно приводятся несколько фотографий каждого района, полученных при разной высоте Солнца: косые лучи подчеркивают рельеф, отвесные - выделяют различия цвета и яркости. Для обратной стороны пока нет таких подробных атласов.

Удобно наблюдать Луну в период первой четверти, когда хорошо видна область близ терминатора: падающие на поверхность под небольшим углом солнечные лучи четко выделяются даже невысокие формы рельефа (Рис.1).

В период же полнолуния диск Луны становится маловыразительным. Но зато этот период интересен тем, что при отвесно падающих солнечных лучах хорошо видны темные участки поверхности, неоднородности отражательной способности (альбедо) внутри морей и светлые лучевые системы у кратеров, которые не удается заметить при косом освещении.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Фотографический атлас видимой сторона Луны

На поверхности Луны выделено 14 типов образований: моря, кратеры, цирки, лучевые системы, выбросы, горы и т.д, которые составляют систему лунной номенклатуры и служат основой для лунной топонимики (Рис. 2).

Исследование видимой стороны Луны космическими аппаратами в 50 70-е годы XX века

Размещено на http://www.allbest.ru/

С группой кратеров Архимед, Аристилл и Автолик на границе Моря Дождей и Моря Ясности связана одно из знаменательных событий отечественной космонавтики.

Больше 45 лет назад, впервые в истории человечества, поверхности Луны в районе кратера Автолик достиг рукотворный аппарат. Этим аппаратом, созданным в нашей стране, была автоматическая межпланетная станция "Луна-2".

В соответствии с программой исследований космического пространства 12 сентября 1959 года в Советском Союзе был осуществлен успешный запуск второй космической ракеты в сторону Луны (первый запуск "Луны-1" не увенчался успехом), которая несла автоматическую межпланетную станцию "Луна-2". Это был запуск, в результате которого ракета достигла поверхности Луны. Впервые в истории был осуществлен космический полет с Земли на другое небесное тело. В ознаменование этого выдающегося события на поверхность Луны был доставлен вымпел с изображением Герба Советского Союза и надписью "Союз Советских Социалистических Республик. Сентябрь 1959 год".

Основные задачи запуска "Луны-2": исследование магнитных полей Земли и Луны; исследование поясов радиации, расположенных вокруг Земли; исследование интенсивности и вариации интенсивности космического излучения; исследование тяжелых ядер в космическом излучении; изучение газовой компоненты межпланетного вещества; изучение метеорных частиц.

В результате "Луна-2" выяснила, что Луна не имеет заметного магнитного поля (в пределах точности магнитометра), что вокруг нее нет радиационных поясов. 13 сентября 1959 года станция достигла поверхности Луны в районе с координатами: 0° д., 30° с.ш. Межпланетная станция "Луна-2 буквально врезалась в Луну на большой скорости и разлетелась на части. Но вымпел с гербом страны, первой коснувшейся другого небесного тела, навсегда останется лежать на поверхности Луны. Наши потомки, которые посетят Луну в будущем, смогут найти исторические фрагменты первого космического корабля, достигшего нашей небесной соседки.

4-го октября 1959-го года советская автоматическая станция "Луна 3" впервые сфотографировала обратную сторону Луны. Впервые человечество смогло заглянуть на обратную сторону, которую природа скрыла от нас, превратив Луны в резонансный спутник: ее период вращения и обращения вокруг Земли равны, и поэтому мы видим только одну сторону.

Советская же станция "Луна 9" 31-го января 1966-го года первой совершила удачную мягкую посадку на Луну в Океане Бурь, западнее кратеров Рейнер и Марат. Были произведены снимки Луны с разных высот и круговая панорама на самой поверхности. Из-за этих снимков чуть было не разгорелся медународный скандал. Какое-то время передатчик с Луны-9 не работал. Западные космические агентства обратились за помощью к английскому печатному агентству «Дейли Таймс», воспользовавшись их мощными передающими устройствами и факсимильными аппаратами. Поэтому первые снимки лунной панорамы появились в английских газетах, на что Советское правительство заявило, что эти снимки были украдены у Советского государства.

"Луна 10" первой стала искусственным спутником Луны 3 апреля 1966-го года, оставаясь им в течение 57-ми дней. Потом наступила слава американской Лунной астрономии: полет человека на Луну, выход на ее поверхность и доставка большого количества лунного грунта на Землю. Советские ученые не решались осуществить пилотируемые полеты к Луне, делая акцент на дистанционное управление лунными аппаратами. Таким образом, советская станция "Луна 16 "первой доставила образцы лунного грунта на Землю 24-го сентября 1970-го года.

Станцией "Луна 17", запущенной 10-го ноября 1970-го года, на Луну был доставлен самоходный аппарат "Луноход 1", представлявший собой комплексную лабораторию. Аппарат проделал по поверхности спутника Земли путь длиною 10 540 метров. На нем был установлен лазерный уголковый отражатель французского производства.

"Луноход 2" был доставлен 16-го января 1973-го года станцией "Луна 21". По восточному краю Моря Ясности самоходный аппарат прошел маршрут, протяженностью 37 км. Последней "Луной" была "Луна 24", в августе 1976-го года доставившая на Землю двухметровую колонку лунного грунта. Советские луноходы - это непревзойденное достижение космической техники.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В трех (из 6) экспедициях «Аполлон» с выходом на поверхность Луны космических кораблей американские астронавты передвигались по лунной поверхности на двухместных луноходах «Ровер». Они позволяли удаляться астронавтам от точки посадки на 27 - 35 км. Советские же аппараты управлялись с Земли из Центра дальней космической связи. НПО им Лавочкина до сих пор является ведущей конструкторской лабораторией, чьи успехи пока не могут повторить ни в одной другой стране мира, даже в Японии.

4 отечественных станции типа "Зонд" проводили разнообразные исследования в окололунном пространстве и возвращались на Землю.

Американцы отправили к Луне около 30 аппаратов. 4 первых "Пионера" неизменно друг за другом в августе-декабре 1958-го года отклонялись от расчетных траекторий и не выполняли поставленных задач. С 1962-го по 1965-й годы к Луне были направлены семь аппаратов "Рейнджер", три из которых достигли-таки Луны и передали фотоснимки поверхности. Рейнджеры были своего рода комикадзе, которые при падении на поверхность Луны успевали передать на Землю панорамные снимки. С 1966-го по 1968-й годы на орбиту вокруг нашего естественного спутника были выведены пять станций "Лунар-Орбитер" и две станции "Эксплорер". Для посадки на Луну проводились в то же время запуски семи аппаратов "Сервейр". Кроме того, были запущены 17 "Аполлонов", 6 из которых доставили на Луну астронавтов, проведших там уникальные исследования. Выход человека на поверхность другой планеты был поистине смелый и рискованный шаг. Ведь очень многое было непонятным на Луне, в том числе и вопрос, выдержит ли лунная поверхность человека. Первым человеком на Луне стал Нил Армстронг, командир "Аполлона 11" (Рис. 3). Запущенная почти одновременно с Аполлоном Луна-15 разбилась о поверхность, предположительно из-за ошибочной работы высотомера. После 74-го года изучение Луны почти прекратилось.

планета космический луна аппарат

Основные характеристики космических полетов (60-70 годы):

Основные сведения о луне, полученные к концу XX века

Среди множества моделей Луны большинство ученых склонялись к выводу, что этот спутник представляет из себя застывшую в далеком прошлом «мёртвую» планету.

Судя по снимкам и наземным телескопическим наблюдениям, было очевидно, что Луны пережила период мощной бомбардировки метеоритами - вся ее поверхность «избита» ударными кратерами. Тем не менее, многие кратеры имеют вулканическое происхождение - похожи на пузыри в кипящей каше. Это говорило о том, что Луна на каком-то этапе свей эволюции была вязким разогретым телом!

Тёмные области на видимом диске, названные «морями», являются огромными участками вкрапления плотного внутрипланетного вещества.

Внедрение плотных, расплавленных недр планеты произошло в результате опять-таки соударения с крупными небесными телами, которые пробивали верхнюю кору Луны, и внутреннее вещество, находящееся под более высоким давлением, было вынуждено подниматься вверх, заполняя образовавшиеся ямы. Образцы лунного грунта, доставленные автоматическими межпланетными станциями и американскими астронавтами, подтвердили этот факт: моря - это покрыты базальтом - веществом, которое изливается, например, на Земле при извержении вулканов.

Но больше всего неизвестности хранила в себе обратная сторона. Были гипотезы, что она похожа на видимую сторону, что и там, есть базальтовые моря, кратеры вулканического и ударного происхождения. Однако, данные предоставленные «Луной-3» и последующими АМС, однозначно показали, что невидимая сторона принципиально отличается от видимой.

Выяснилось, что на большей части обратной стороны Луны практически отсутствуют обширные равнины морей. Иными словами, отличие видимого и обратного полушарий Луны по их ориентации относительно Земли дополнялось коренным отличием в строении поверхности. Этот факт стал главным научным результатом эксперимента и повлек за собой далеко идущие выводы. Наши современные представления об основных этапах эволюции Луны и системы "Земля- Луна" 3-4 млрд. лет назад прежде всего вытекают из асимметричного строения поверхности лунного шара. Тайна обратной стороны оказалась тесно связанной с тайной синхронизированного вращения Луны.

Теоретические модели о строении обратной стороны, в которых моря как бы опоясывают весь лунный шар, космические съемки не подтвердили. Сравнительно небольшое море, обнаруженное на снимках (позже оно получило название Моря Москвы), не вписывалось в гипотетический пояс морей.

Таким образом, анализ изображений подтвердил асимметрию в строении поверхности Луны. Совместная обработка материалов первого и второго фотографирования обратной стороны позволила окончательно установить, что светлые области видимого полушария северный и южный материки смыкаются на обратной стороне. С того времени и утвердилась концепция, согласно которой Луна покрыта единым материковым щитом, а моря - это замкнутые внутриматериковые вкрапления темного вещества, частично или полностью заполнившего крупные впадины лунной коры. Еще несколько лет назад синхронизированное вращение Луны считалось уникальным в Солнечной системе, хотя, например, резонансные явления во вращении Меркурия, Венеры и некоторых других тел были известны. Тем не менее, когда речь заходила об "обратной стороне", само собой подразумевалось, что имеется в виду Луна. Потом оказалось, что почти все крупные спутники планет, по-видимому, вращаются так же, как Луна, с одинаковой угловой скоростью вокруг оси и по орбите вокруг планеты. Следовательно, и другие спутники в Солнечной системе имеют "видимую" и "обратную" стороны. Изучая с этой точки зрения ближайшее к Земле небесное тело, мы имеем возможность подробно вникнуть в природу одной из закономерностей нашей планетной системы.

Исследование Луны космическими аппаратами конца XX века

Период активных исследований нашего естественного спутника продолжался вплоть до 1976 года. Всего за это время на Луне и в окололунном пространстве побывало более 50 космических кораблей, с помощью которых были получены данные, значительно превосходящие все то, что собрали земляне о своей небесной соседке за более чем трехвековой период телескопических наблюдений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Затем был период, когда в течение почти 15 лет с Земли не было осуществлено ни одного старта к Луне. О ней как будто все забыли. Но рано или поздно все возвращается "на круги своя". В 1990 году космический аппарат "Галилео", запущенный с целью исследования системы Юпитера, попутно сфотографировал Луну в различных диапазонах волн. В том же году Япония вывела на орбиту вокруг Луны с целью проверки систем управления и передачи данных космический аппарат MUSES-A. А спустя четыре года, в 1994 году, США отправили к Луне космический аппарат "Климентина", одной из основных задач которого было детальное изучение поверхности нашего естественного спутника. С 1976 года он стал первым земным аппаратом, специально запущенным для изучения Луны.

Масса аппарата составила всего 424 кг, включая топливо.

По форме он напоминает цилиндр с диаметром чуть более 1 м и длиной около 2 м (Рис.4). Потребляемая им электрическая мощность невелика -- 360 Вт, при этом на долю научных приборов приходится лишь 60 Вт (это мощность обыкновенной электрической лампочки), а вся научная аппаратура весит всего-навсего 8 кг! Однако, ее перечень впечатляет: камеры близкого и дальнего инфракрасного диапазонов, камера высокого разрешения, камера ультрафиолетового и видимого диапазона, лазерный дальномер, радиопередатчик. Достичь такой высокой "плотности" инструментов можно было только с применением самых современных технологий. Кроме того, разработчикам удалось создать аппарат с автоматическим определением орбиты и автономной ориентацией, самостоятельно выбирающий цель и следящий за ней. "Климентину", таким образом, можно по праву считать представителем нового поколения космической техники.

Запуск аппарата состоялся 25 января 1994 года. Почти месяц спустя, после ряда орбитальных маневров и испытаний военного оборудования, "Климентина" вышла на лунную орбиту, с которой более двух месяцев проводились исследования нашего естественного спутника. Они завершились в начале мая, когда аппарат, покинув окрестности Селены, направился на встречу с астероидом Географос. Рандеву с этой малой планетой должно было стать финалом всей миссии. Однако, 7 мая из-за ошибочного включения двигателя "Климентина" стала вращаться с частотой 80 оборотов в минуту. Стабилизировать аппарат не смогли, и 19 мая связь с ним была прекращена. Таким образом, полностью осуществить запланированную программу полета, к сожалению, не удалось.

Размещено на http://www.allbest.ru/

И все же, лунная часть проекта была выполнена успешно, и, надо сказать, наши знания о Луне существенно обогатились. Два миллиона снимков поверхности нашего естественного спутника в 11 диапазонах видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой части спектра с разрешением до 100 м, 72 тысячи замеров высот с точностью до 40 м -- планетологи впервые стали обладателями столь уникальной информации. Анализ полученных данных будет продолжаться еще долго, но уже сейчас на их основе удалось сделать немало удивительных открытий.

Среди них особняком стоит гигантская ударная структура диаметром 2500 км, расположенная на обратной стороне Луны (Рис. 5). Она впервые была обнаружена на снимках, доставленных на Землю советской автоматической станцией "Зонд-6" в 1968 году. Тогда это образование наши ученые предлагали назвать Море Юго-Западное. Однако, полученных в те годы данных было недостаточно для того, чтобы говорить о нем, как о ярко выраженной детали.

Сегодня благодаря "Климентине" стало ясно, что эта структура является самым значительным образованием на нашем естественном спутнике. Его уже успели окрестить бассейн Южный Полюс-Эйткен, так как центр этой области находится примерно посередине между кратером Эйткен и южным полюсом Луны.

По данным "Климентины" глубина этого гигантского бассейна составляет около 12 км. Если учесть его размеры, то окажется, что на сегодняшний день это самое большое из всех известных нам ударных образований в Солнечной системе. Вы только представьте: его диаметр превышает 2/3 диаметра Луны!

Столкновение нашего естественного спутника с телом, породившим бассейн Южный Полюс-Эйткен, произошло еще на самых ранних стадиях истории Луны -- около 4 млрд. лет назад. Скорее всего, тело, ударившее в этом месте, проникло на глубину в 120 км, достигнув верхней мантии. Будь оно чуть больше, Луна могла не перенести такую катастрофу и распалась бы на множество фрагментов.

Кроме того, изучение снимков этой области показало наличие там вещества, богатого железом и титаном. По-видимому, оно было выброшено на поверхность из лунных недр во время взрыва, произошедшего в момент падения тела, породившего этот бассейн. Так что теперь, чтобы узнать, какими были лунные недра четыре миллиарда лет назад, достаточно будет внимательно изучить то, что находится на поверхности этого гигантского ударного образования.

Климентина позволила по-новому взглянуть на нашу космическую соседку. В первую очередь, она предоставила, наиболее точную картину лунной топографии и гравитационного поля, дополненную позднее данными Лунного Разведчика (Lunar Prospector 1998-1999). Анализ этих данных можно просуммировать следующей группой выводов.

• Толщина лунной коры обратной стороны намного выше по сравнению с видимой: 100 км и 60 км.

• На обратной стороне Луны тотальная «кратерность» выражена еще сильнее и многообразнее: кольцевые горы всевозможных размеров -- основная, доминирующая форма лунного рельефа (Рис. 6).

• Обнаружена разница в масштабах проявлений вулканической деятельности, которая, по-видимому, вызвана, двумя причинами: малой силой тяжести на Луне и большей (в сравнении с Землей) мощностью вулканических процессов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На невидимом полушарии кратеры в общем гораздо крупнее и многочисленнее, чем на видимой стороне Луны, что свидетельствует, в очередной раз, об «асимметрии» вулканических процессов на Луне.

• Отличается видимого полушария Луны от невидимого, заключается в том, что на обратной стороне Луны никогда не бывает солнечных затмений. Следовательно, нет смены температуры при движении земной тени. Но играло ли это какую-то роль в формировании Луны?

• На обратной стороне Луны были обнаружены заметные положительные гравитационные аномалии, поведение и, по-видимому, происхождение, которых принципиально отличается от аналогичных аномалии видимой стороны.

Масконы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Еще по данным космических исследований 70-х годов, проведя несколько стадий исследования гравитационного поля, американские ученые из лаборатории реактивного движения НАСА (NASA JPL) Мюллер и Сьёгерн построили первую гравиметрическую карту Луны для области ограниченной 50^о по широте и долготе. На основании нее были открытии масконы (mss concentrations) - районы, в которых плотности лунных пород являются аномально высокими, в результате чего пролетающий над ним КА оказывается как бы над гравитационными ямами, высота его полета снижается на несколько десятков метров. Это означает наличие концентрированных масс. Причем положение этих масс совпадает с центральными областями тех морей, которые имеют почти круглую форму: Море Дождей, Кризисов, Нектара, Влажности. Над этими районами ускорение КА меняется быстро, что соответствует относительно незначительной протяженности масконов, составляющей от 50 до 200 км, и небольшой глубине их залегания. Было предположено, что они располагаются на глубине около 50 км. Более поздние исследования (Кембел, О'Лири и Саган) определили совокупность 8 масконов в виде круговых дисков на глубине 300 км.

Открытие масконов вызвало оживленную дискуссию об их природе. Большинство исследователей сходятся к тому или иному варианту ударного происхождения масконов в районе круговых морей, хотя окончательной гипотезы, удовлетворяющей всем вопросам и теории и наблюдения пока нет.

Удивительно, что аномалии над круглыми морями не отрицательные(те есть с уменьшением притяжения), а положительные (с увеличением) (рис. 7). Хотя, по идее, все должно быть наоборот. Ведь моря и бассейны, по сути - это гигантские ямы, и притяжение над ними должно падать: вещества-то меньше.

Одно из наиболее вероятных объяснений этому состоит в том, что в момент удара тела о лунную поверхность оно взорвалось. Мощная взрывная волна вспорола лунную кору, и верхние слои мантии под давлением глубинных, в то время расплавленных, пород стали внедряться в поверхностные слои. Тем самым в месте удара тяжелое вещество мантии не только скомпенсировало отсутствие грунта в образовавшейся гигантской яме, но даже наоборот, прибавила ей весу.

Lunar Prospector был запушен в декабре 1997 года. В течение целого года аппарат, оснащенный инструментами для всестороннего изучения поверхности, давал информацию о распределении по поверхности Луны таких элементов, как уран, железо, кремний. Искал лёд, обнаруженный ранее Климентиной. Изучал магнитное и гравитационное поле.

После полета Климентины и Лунар Проспектора (Lunar Prospector) астрономы получили более точные гравитационные карты. И наряду с новыми точными данными, пришли и новые вопросы.

В частности, были обнаружены положительные гравитационные аномалии не только над круглыми морями, но и над некоторыми материковыми участками, в частности между бассейном Королев и Герцшпрунг. Объяснения существованию таких аномалий на толстой континентальной коре пока не найдено.

Заключение

Планируемые космические эксперименты на Луне.

В результате полета Климентины и Лунного Разведчика получен огромный банк данных о геометрической и динамической структуре Луны, распределении химических элементов на поверхности, в частности, распределение металлов, знание о количестве которых может служить важным ключом к пониманию происхождения Луны и всей Солнечной системы в целом. Тем не менее, для решения этих же вопросов требуются дальнейшие исследования и хим. состава, и гравитационного и магнитного полей, распределение теплового потока и т.д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Серия лунных космических проектов многих стран - SELENE (Япония), CHANG'E-1 (China, 2007), Chandrayaan-1 (India, 2008), LRO (NASA, 2008), Luna Glob (Россия, 2012) - направлены на получение более точных топографических и гравитационных карт Луны, на поиск залежей водяного льда и полезных ископаемых с целью выбора оптимального расположения долговременных лунных баз и ряд других задач, связанных с фундаментальными проблемами лунной астрономии.

Существенный вклад в решении многих проблем ожидается от реализации японской программы SELENE, состоящей из рада долго временных проектов.

В японском эксперименте SELENE, направленном непосредственно на детальное изучение гравитационного поля, фигуры и внутреннего строения Луны открываются большие перспективы для исследования динамических и структурных параметров Луны. РСДБ- и лазерные измерения в RISE-проекте (Рис. 8) эксперимента позволят впервые получить высокоточную гравитационную карту обратной стороны.

Значительных результатов можно ожидать от непосредственных наблюдений физической либрации с помощью телескопа, который планируется установить на полюсе Луны в 2008-2010 году (программа ILOM вторая часть миссии SELENE-B).

Миссия Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) - Орбитального лунного разведчика (США) - в основном, заключается в подготовке необходимых данных для надёжного обеспечения возвращения людей с орбиты на Луну, а также для комплектации будущих полетов к Марсу. Поэтому в программу его исследований вошли исследование Радиации в окрестности орбиты, глобальная геодезическая картография, определение пространственного распределения водорода, исследование температурного распределения и поверхности в затененных полярных областях, идентификация близповерхностного водяного льда в холодных полярных ловушках, оценка возможных мест для посадки посадочных модулей.

Российский проект «Луна-Глоб» (2009 г.) в основном задуман с целью проникнуть в тайну происхождения системы Земля-Луна. Поэтому цели и особенности данной миссии, в основном, направленной на изучение внутреннего строения Луны с помощью сейсмических инструментов, находятся в контексте уже проведенных и имеющихся программ исследования Луны. Второй важной составляющей программы «ЛунаГлоб» является поиск летучих веществ, включая воду, в полярных районах Луны. В связи с этим, планируется реализовать мягкую посадку комплексной аналитической станции, включающей масс-спектрометр, нейтронный спектрометр на базе сейсмической станции.

Используемая литература

А. Гусев, Н. Кавано, Н. Петрова. Исследование и освоение Луны: научные достижения, фундаментальные проблемы, международные перспективы. Труды Космического агентства России . Изд-во КАИ, 2007.

Маров М.Я. Планеты Солнечной ситемы. М.: Наука, 1988

Шевченко В.В. Лунная картография. М.: Наука, 1982

Размещено на Allbest.ru