< Геодинамо Луны всё еще скрыто

МАГНЕТИЗМ ЛУНЫ

К вопросу о геодинамо Луны

---

Владислав Шевченко

Исследование магнетизма Луны смогло начаться только с использованием космических аппаратов. Первая станция, достигнувшая лунной поверхности, «Луна-2», была запущена 12 сентября 1959 г. Согласно показаниям приборов, установленных на борту станции, при сближении с Луной было установлено, что магнитное поле у Луны напряженностью в пределах 50 – 100 гамм отсутствует. Трехкомпонентный феррозондовый магнитометр станции проводил измерения до высоты над лунной поверхностью, равной 50 км. Последующий анализ этих измерений показал, что Луна не обладает дипольным магнитным моментом, не превышающим, по крайней мере, 10^{- 4} магнитного момента Земли. Эти результаты были подтверждены измерениями с борта первого искусственного спутника Луны – «Луна-10», запущенного в 1966 г. На высотах 350 км и выше подробно исследовались эффекты возмущений и особенности распределения магнитного поля и межпланетной плазмы в окрестностях Луны. Исходя из наблюдаемой топологии поля, был сделан вывод о его межпланетном характере с учетом деформирования Луной. 

Более подробные исследования напряженности лунного магнитного поля были начаты в 1967 г. с борта искусственного спутника Луны «Эксплорер-35». Установленные на борту этого аппарата магнитометры не обнаружили ни ударной волны, ни наличия лунного магнитного поля в периселении. Верхний предел центрированного дипольного момента был оценен величиной, соответствующей напряженности дипольного поля на лунной поверхности менее 4 g. Последующие магнитометрические исследования Луны с помощью космических аппаратов окончательно подтвердили отсутствие регулярного магнитного поля, но обнаружили локальные протяженные, возможно, остаточные поля различной ориентации в интервале напряженности от 3 до 327 нТ. Особый интерес представляли измерения вариаций остаточной намагниченности лунных пород при помощи трехкомпонентного феррозондового магнитометра в процессе движения по лунной поверхности самоходного аппарата «Луноход-2». Магнитная съемка осуществлялась вдоль всего 30-ти километрового маршрута аппарата с целью подробного изучения местных аномалий. В целом магнитное поле в кратере Лемонье, где осуществлялись измерения, оказалось слабым, и его напряженность не превосходила 20 – 30 нТ. Однако измерения обнаружили наличие характерных аномалий в 10 – 15 нТ, связанных с кратерами, размеры которых достигали 50 м и более. При этом напряженность магнитного поля возрастала с увеличением диаметра пересекаемого луноходом кратера. Этот существенный результат оказался первым экспериментальным указанием на возможную ударную природу локальных магнитных аномалий на Луне.

По-видимому, с иной природой локальной намагниченности лунных пород столкнулись экспериментаторы при анализе магнитометрических результатов, полученных с помощью стационарных приборов, размещенных в местах посадок КК «Аполлон». В районе древнего кратера Декарт (область посадки модуля КК «Аполлон-16») было обнаружено остаточное магнитное поле, напряженностью до 327 нТ, существовавшее на Луне в период, когда материал коры остывал ниже точки Кюри, т.е. от 3.7 до 4.2 млрд. лет назад. Общий вывод по результатам стационарных измерений сводился к тому, что поля с характерной протяженностью от 50 до 100 км намагничены однородно в раннюю  эпоху формирования лунной поверхности, тогда как аномалии с линейными размерами примерно 5 – 10 км имеют намагничивание со случайным направлением, возникшее в результате ударных процессов. Аномалии малых размеров часто имеют большие интенсивности, а их источники расположены относительно близко от поверхности. 

Следующим этапом изучения магнитного поля Луны стало получение магнитометрических и плазменных данных с борта субспутников КК «Аполлон-15» и «Аполлон-16», обращавшихся по самостоятельным орбитам с высотами в переселении от 150 км над лунной поверхностью. Многие аномалии, обнаруженные с помощью плазменных датчиков, одновременно отождествлялись по результатам магнитометрической съемки, что обеспечивало надежность выявления локальных полей. Отождествление одних и тех же аномалий при повторных пролетах обеспечивало исключение случайных ошибок, а в случае малой напряженности поля повышало надежность отделения полезного сигнала от шумов.

В процессе описанных исследований появились первые указания на связь особо значительных магнитных аномалий с диффузными структурами, т.е. альбедными аномалиями на Луне.  На видимом полушарии подобной двойной аномалией оказалась формация Рейнер-g, расположенная в западной части Океана Бурь и задолго до этого привлекавшая к себе внимание наблюдателей и аналитиков. Детальная структура магнитной аномалии была определена по результатам магнитометрической съемки субспутников КК «Аполлон» с высоты около 20 км. Максимальная напряженность поля на этой высоте соответствует величине 22 нТ. В процессе последующего моделирования было получено, что при приведении к уровню лунной поверхности величина этой аномалии достигает 1700 нТ. 

Магнитометрические измерения, проведенные по программе пилотируемых полетов «Аполлон-15» и «Аполлон-16», относились к узкой приэкваторияальной зоне и насчитывали всего 10000 отдельных замеров.

Результаты магнитометрической съемки, проведенной с борта КА «Лунар проспектор» (1998 – 1999 гг.), охватывают всю лунную поверхность и основываются на 700000 отдельных определений напряженности местного магнитного поля. Эти данных достаточно, чтобы составить магнитную карту всей Луны с разрешением около 3^о на поверхности. Для отдельных районов, исследованных с малых высот, разрешение магнитометрической съемки составляет всего лишь  0,5^о, то есть 15 км.

Полученные данные подтверждают существование районов с аномальной напряженностью местного магнитного поля. Оказалось, что четыре наиболее крупных магнитных аномалии расположены на обратной стороне Луны в областях, приблизительно антиподальных соответственно Морю Дождей,  Морю Ясности, Морю Кризисов и Морю Восточному. Однако, в областях, антиподальных кольцевым структурам, подобным по возрасту и размерам, таким как Море Нектара или Герцшпрунг, никаких магнитных аномалий не обнаружено. Несмотря на это, авторы эксперимента категорически настаивают, что происхождение лунных магнитных аномалий однозначно связано с возникновением наиболее молодых крупных кольцевых структур – бассейнов, которые на последующих этапах развития Луны превратились в круговые моря видимого полушария Луны. В рамках подобной гипотезы остается необъяснимым происхождение наиболее крупной магнитной аномалии Луны, совпадающей по расположению с образованием Рейнер - g -  загадочной альбедной структурой. Этот район не является антиподом какому-либо бассейну на противоположном полушарии Луны.

Можно предположить, что наблюдаемое «пятнистое» поле Луны обязано своим происхождением сочетанием различных процессов, происходивших в разные эпохи эволюции лунного шара. Например, среди доставленных на Землю образцов лунных пород обнаружились фрагменты, имеющие значительную намагниченность. Большинство из них имеет абсолютный возраст от 3.6 до 3.8 млрд. лет. В связи с этим отдельные авторы не исключают механизм динамо как источник возникновения магнитного поля Луны на ранних стадиях формирования лунного шара.

Казалось бы, в качестве механизма генерации магнитного поля можно предположить существование динамо в лунном металлическом ядре, факт наличия которого был недавно установлен. Однако, против существования динамо на Луне работают следующие факторы: слишком малое ядро и обратная возникающей при динамо температурная структура внутренней части Луны. Анализ образцов грунта показал, что в прошлом поверхность Луны, возможно, была океаном магмы. В одной из последних моделей динамо, модели Стегмана и др., авторы учли химическое и термодинамическое влияние океана магмы. В расплавленной мантии Луны минералы, содержащие легкие элементы, должны всплывать, формируя анортозитовую кору. Под этой корой образуется слой с повышенным содержанием калия, редкоземельных элементов и фосфора (KREEP-слой с высоким содержанием радиоактивных элементов), который способствует нагреву. Ниже лежат уже сформированный ранее слой с повышенным содержанием ильменита и слой пироксенитов. В рамках модели Стегмана и др. осевшее вещество изолирует лунное ядро от остальной мантии и, препятствуя охлаждению ядра, не дает развиться динамо. При распаде радиоактивных элементов возникает нагрев слоя, и, как следствие, усиление потока тепла и возникновение динамо. 

Основная трудность этой модели состоит в том, что нагрев и всплытие вещества, изолирующего ядро, должно совпадать по времени с формированием морских базальтов и намагничиванием грунта. Кроме того, выделяемая энергия может оказаться слишком малой для объяснения наблюдаемых величин магнитного поля. Пока, даже с учетом некоторых дополнительных предположений, данная модель не объясняет палеомагнетизм Луны.

Поскольку обнаруживается корреляция многих магнитных аномалий с местами интенсивных выбросов в окружении крупных бассейнов Луны, закономерно связать  появление таких локальных полей с формированием ударных кольцевых структур в период около 4 млрд. лет назад.

В одной из гипотез сделана попытка объяснить возникновение магнитных аномалий прямым образом в результате ударных процессов, сопровождавших формирование круговых лунных бассейнов. Возможность такой генерации подтверждается и лабораторными исследованиями. В рамках этой модели предполагалось, что газ с соответствующей плотностью и внутренней энергией испаряется с поверхности Луны и двигается вдоль сферической поверхности. В модели не учитывались вязкость и излучение газа и предполагалась азимутальная симметрия течения. Магнитное поле учитывалось на уровне оценок. Оказалось, что облако газа «сгребает» магнитное поле во время своего движения. В ряде работ появилась критика этой модели. Дело в том, что характерные времена распространения плазменных токов (5 мин), внутренних (8 мин) и поверхностных (80 мин) сейсмических волн, движения выбросов (20-50 мин) сильно различаются. Соответственно, возможность образования в этом случае магнитной аномалии вызывает многие вопросы.

Происхождение диффузных структур (альбедных аномалий), связанных с наиболее крупными магнитными аномалиями лунного шара, продолжает быть одной из самых загадочных особенностей природы Луны. Поскольку диффузные структуры являются весьма молодыми образованиями, возраст которых составляет около 10⁷ лет, одновременное  происхождение альбедных и магнитных аномалий в областях, расположенных антиподально точкам падения тел, сформировавших крупные бассейны Луны в период около 4 млрд. лет назад,  является сомнительным.

Остатки магнитных полей, возможно, различного происхождения, квалифицируются  в настоящее время как палеомагнетизм Луны. 

Однако, магнитные аномалии, связанные с диффузными структурами, являющимися молодыми образованиями, по-видимому, не имеют никакого отношения к палеомагнитным полям Луны. 

---