Home » Квант » Вода на луне

Вода на луне

Вода на луне.

Скачать Квант (все номера)
Квант №2 1972

Скачать  сборники журнала «Квант» в хорошем качестве.

Если хотите быстро ознакомится с содержанием статей, смотрите ниже.
Текст, для быстрого ознакомления (в тексте для быстрого ознакомления формулы могут отображаться не корректно):


Квант 2 февраль 1972

Квант 2 февраль 1972

Мы знаем далеко не все ресурсы
Луны, но и того, что известно, до-
статочно, чтобы предположить, что
в будущем на Луне возникнут лунные
станции и колонии. Одна из основных
трудностей в организации колоний —
обеспечение человека водой и кислоро-
дом. В день человеку необходимо
примерно 0,9 кг безводной пиши,
0,9 кг кислорода и 2,7 кг воды. В лун-
ных образцах, доставленных совет-
скими и американскими космическими
кораблями, никаких следов воды не
обнаружено.
Однако есть основания предпо-
лагать, что вода на Луне была.
В наши дни получила широкое рас-
пространение теория эволюции, по
которой Луна, как и Земля, образо-
валась из облака мелких твердых
частиц. Эти частицы у Луны содер-
жали примерно столько же воды
(т. и. ювеннльная, то есть первона-
чальная вода), сколько ее содер-
жало вещество Земли: «строительный
материал» у Земли и Луны был при-
мерно одинаков. Распад радиоактив-
ного урана и радиоактивного калия
привел с течением времени к разогре-
ву глубинных слоев Луны до темпера-
тур 1000—2000° С. Содержащаяся
в веществе Луны вода испарялась
и проникала в виде пара наружу,
к поверхности. Судьба этого пара
зависела от условий у поверхности
Луны, от ее температуры.
10
Температура поверхности Луны
достигает днем -\- 120е С, а ночью
опускается до —160’С (в полярных
районах до —200JC). Материалы,
из коюрых сложена поверхность Луны
(мелкие обломки различных минера-
лов — так называемый «реголит»),
плохо проводят тепло. Поэтому су-
точные колебания температуры про-
никают весьма неглубоко и уже на
глубине меньше метра под поверх-
ностью температура не зависит от
времени лунных суток. В низких
широтах, вблизи экватора, она равна
примерно —30° С. При такой низ-
кой температуре под поверхностью
выделившийся из недр Луны водяной
пар должен был замерзнуть, образуя
слой льда.
Оценим границы слоя льда. Тем-
пература растет с глубиной. На Земле
температура увеличивается на 28° С
на каждом пройденном вглубь кило-
метре. Допустим, что радиоактив-
ные процессы выделения тепла на
Луне такие же, как на Земле. Тогда
на Луне температура повысится на
203 С до точки таяния льда @е С)
на глубине около 1 км. Такова ниж-
няя граница лунного слоя вечной мер-
злоты (рис. 1), а под ним расположен
слой воды.
На верхней границе слоя льда
с его поверхности непрерывно отры-
ваются молекулы, лед испаряется.
Горные породы на Луне, как это уста-

10 Вода на луне.

новлено при исследовании лунных
образцов, всегда содержат поры. Мо-
лекулы пара пролетают по этим по-
рам и выходят на поверхность Луны.
Мы знаем возраст горных пород
Луны по относительному содержанию
радиоактивных изотопов и продуктов
их распада в лунных образцах. Этот
возраст порядка 4,5 миллиарда лет.
Расчет показывает, что при t =*
*« —30D С и известных нам физиче-
ских свойствах н структуре лунных
горных пород за эти 4,5 миллиарда
лет лед из лунной коры испарился
не весь.
Гипотезу о вечной мерзлоте и глу-
бинном слое воды на Луне выдви-
нул в 1961 году американский астро-
физик Голд. Однако его вывод о су-
ществовании в глубине лунной коры
льда и воды основан на некоторых
предположениях.
о
РЫОЛИТ
8 0д!яного1плр!а
о о Ь Ь >
«—зос
МЕРЗЛАЯ ПОРОДАМAfA
t<oec
— ОС
i>o°c
Во-первых, считается, что общее
количество ювенильной воды в 1 кг
вещества Земли и Луны было одина-
ково, и это общее количество юве-
нильной воды оценивается по сред-
ней глубине мирового океана (слой во-
ды, получающийся делением объема
воды океанов, морей, льдов Арктики
и Антарктики, льдов горных райо-
нов на поверхность Земли). На Земле
эта глубина ~1 км.
Во-вторых, считается, что зна-
чительная часть ювенильной воды
выходили на поверхность уже после
остывания лунной коры и потому
замерзала в лед, который испарялся
медленно — сквозь поры.
Если пары ювенильной воды успе-
ли выйти на поверхность до того,
как лунная кора охладилась, то с
течением времени они могли сконден-
сироваться на поверхности в жид-
кую фазу и затем быстро испарить-
ся, и ни вечной мерзлоты, ни глубин-
ного слоя воды на Луне не может
быть.
Наконец, мы еще слишком плохо
знаем свойства лунной коры, чтобы
надежно рассчитать процесс испаре-
ния из нее льда.
Подпочвенные льды есть и на Зем-
ле. В тех районах, где среднегодовая
температура ниже О1’С, под поверх-
ностью Земли сохраняется слой вечно
мерзлой Почвы, которая только час-
тично оттаивает летом. Районы веч-
ной мерзлоты составляют 15% земной
суши (и еще 10% суши занимают лед-
ники). В нашей стране вечная мерзло-
та охватывает обширные пространст-
ва Сибири и Дальнего Востока.

Превращения лед—вода—пар  на Луне и на Земле *)

Поднимемся теперь из глубины
на поверхность Луны. Как будут зести
себя вода, лед и пар днем (J, =+120° С
Рис. 1.
*) Настоятельно рекомендуем читателю
популярную книгу академика Л. Д. Л а к-
д а у и проф. А. И. Китайгород-
ского «Физика для всех», .4., «Наука»,
1963. Глава 12 этой книги послужит наи-
лучшим пособием по всем физическим
вопросам, затронутым в нашей статье.

11 Вода на луне.

и ночью (t — —160е С) на самой
поверхности, без защитного слоя лун-
ной коры? Ответ на эти вопросы дает
так называемая диаграмма состояния
воды (рис. 2), о которой мы сейчас
и расскажем.
Будем по вертикальной оси от-
кладывать давление, под которым на-
ходится лед, веда или пар, а по го-
ризонтальной оси — их температуру.
Каждой точке на плоскости, огра-
ниченной осями координат Р и t°,
соответствует определенное состояние
воды (лед, вода или пар).
Начнем со льда. Синяя кривая
показывает зависимость давления, под
которым плазится лед, от температу-
ры. Чем выше давление, тем ниже
температура плавления. Отойдем от
синей кривой немного вправо: при
том же давлении повысим темпера-
туру. Лед полностью растает —
точки плоскости правее синей кривой
соответствуют воде. Если от синей
кривой отойти влево — уменьшить
температуру, то вода замерзнет, пре-
вргтчтея в лед. В точках са&ой кри-
вой (и только яри этих дйзлеииях
и температурах) лед и водг находятся
в равновесии друг с другом — сколько
плавится льда, столько же воды прев-
ращается в лед. Поэтому синюю
кривую называют кривой равнове-
сия льда и воды.
Если мы будем повышать темпе-
ратуру воды при неизменном давле-
нии, то попадем в область таких
температур, при которых может су-
ществовать только пар. Эта область
температур и давлений находит-
ся справа от красной кривой — кри-
вой равновесия воды и пара, или,
другими словами, кривой зависимо-
сти температуры кипения воды от
давления. Эта кривая, как видно из
рисунка, показывает, что чем ниже
давление, под которым находится во-
да, тем ниже и температура ее кипе-
ния. Это мы хорошо знаем — напри-
мер» высоко в горах, где давление
воздуха мало, альпинисту трудно
сварить в кипятке яйцо, приходится
жарить яичшшу. На вершине Эль-
бруса, где давление составляет поло-
вину атмосферного, вода кипит при
82Э С.
Ужнытч давление до 0,006 am.
Опыт показывает, что температура
)Шпсшия снизится до нуля (точнее,
до 0,0075° С) — «кипяток» имеет те-
перь температуру замерзания воды.
А чте будет при дальнейшем пони-
женки давления? Температура кн-
пег;ия упгдет ::иже нуля, «кипяток»,

12 Вода на луне.

находящийся в равновесии с паром,
замерзнет, будет уже не жидкостью —
водой, а твердым телом — льдом. Лед
будет испаряться, не плавясь. Зеле-
ная кривая на рисунке — кривая рав-
новесия лед—пар.
Точка О, в которой соединяются
все три ветви, называется тройной
точкой. Если в закрытом сосуде при
температуре t = 0,0075° С и дав-
лении паров Р = 0,006 am находят-
ся вода, лед и пар, то масса каж-
дой из этихтрех форм воды остается не-
изменной — сколько воды испаряет-
ся, столько же и конденсируется,
сколько льда плавится, столько же
и замерзает воды.
Если давление больше 0,006 am,
то при нагревании лед вначале пла-
вится, то есть переходит в воду, а уже
вода, при дальнейшем нагревании,
кипит и переходит в пар. В области
давлений, меньших чем в тройной
точке, лед при нагревании непосред-
ственно переходит в пар, минуя жид-
кое состояние — воду.
Пусть кусок льда нагревается на
поверхности Земли. Как определить,
в каком состоянии он находится?
Из диаграммы состояния воды сразу
видно, что знания одной температуры
недостаточно — надо задать еще внеш-
нее давление. Тогда определится и
точка диаграммы состояния, в кото-
рой находится в данный момент
вода.
Предположим, что процесс изме-
нения состояния воды идет при по-
стоянном давлении. У поверхности
Земли давление, под которым нахо-
дится вода, равно 1 am. Это значи-
тельно выше давления водяного пара
0,006 am в тройной точке. Поэтому
изменение состояния воды при на-
гревании изображается прямой А А:
сначала достигается температура
плавления, затем лед переходит в
воду, при дальнейшем нагревании
выше 100° С вода закипает и перехо-
дит в пар. Например, на Земле летом
лед в слое вечной мерзлоты в верх-
них нескольких метрах земной ко-
ры оттаивает, и над ним появляется
Пусть теперь кусок льда нагре-
вается Солнцем на лунной поверх-
ности. Полдень, палящее Солнце,
температура почвы -Ь120° С. По-
скольку давление на поверхности
Луны значительно ниже, чем в трой-
ной точке, то состояние льда будет
меняться по прямой ЛЛ — лед ис-
парится, не превращаясь в воду.
Ведь при давлениях ниже 0,006 am
вода в жидком состоянии вообще ire
существует ни при какой темпера-
туре.
Аналогичным образом ведет себя
на Земле «сухой лед»—твердая угле-
кислота СО,. В его тройной точке
давление Р = 5,11 am, температура
t = —56,6е С. Земное атмосферное
давление меньше, чем в тройной
точке для углекислоты, поэтому уг-
лекислота не может быть жидкой
и превращается непосредственно в пар.
«Сухой лед» применяют, например,
продавцы мороженого, чтобы оно
не таяло.
У читателя может возникнуть сле-
дующий вопрос. Водяных паров в
воздухе мало, а большую часть ат-
мосферного давления в 1 am создают
кислород и азот. Почему же на диа-
грамме состояния (см. рис. 2^ мы
берем температуру кипения при дав-
лении 1 am, а не при более низком
давлении водяных паров атмосферно-
го воздуха? Какое давление опре-
деляет собой состояние вещества —
давление самого вещества или пол-
ное давление на поверхность раз-
дела?
Для кривой плавления такого
вопроса не возникает. В этом случае
давление на поверхность раздела

13 Вода на луне.

равно атмосферному или больше
него, если лед покрыт слоем воды
(рис. 3).
Для кривой равновесия вода—пар
все обстоит сложнее. Все точки спра-
ва от красной кривой соответствуют
устойчивому состоянию — пар, сле-
ва — устойчивому состоянию — во-
да. Если давление водяного пара мень-
ше давления на красной кривой, то
вода при данной температуре пол-
ностью испарится (пар над ней не-
насыщенный). В атмосферном воз-
духе давление водяного пара обыч-
но составляет 0,013 am, то есть 60%
от давления насыщенного пара.
Поэтому налитая в блюдце вода со
временем всегда испарится. При ох-
лаждении воздуха давление 0,013 am
становится больше давления насы-
щенных паров при новой температуре
и водяной пар конденсируется (при-
мер — утренняя роса).
Но испарение с поверхности жид-
кости — процесс очень медленный.
Существует другой процесс перехода
жидкости в пар, значительно более
быстрый — испарение при кипении.
В этом случае пузырьки пара обра-
зуются во всем объеме жидкости.
Внешнее давление (полное давление
1 am) передается с поверхности жид-
кости также и по все точки в ее глу-
бине, поэтому образующийся внутри
жидкости пар должен иметь давле-
ние, равное (или большее) полному
давлению на жидкость, вне зависи-
мости от того, какова причина это-
го внешнего давления — водяной
пар или давление атмосферного воз-
духа.
На Луне на открытой поверхности
вода всегда кипит, а внизу замерзает.
Но в зависимости от времени суток
(то есть от нагревания Солнцем) тут
могут быть самые разнообразные эф-
фекты.
Замерзнет пар или нет, зависит
не только от его температуры, но
и от давления. На Луне при ничтож-
ных давлениях водяной пар мог выйти
на ее поверхность, и не замерзнув.
На рисунке 2 мы видим, что в лунных
условиях водяной пар может сущест-
14
вовать и при температурах, близких
к —200е С. Все зависит от условий
(зависимость давления от глубины,
температура, пористость вещества
Луны), которые на протяжении 4,5
миллиарда лет истории Луны могли
быть самыми различными.
Таким образом, оба основных
пункта теории подпочвенного льда —
выход достаточного количества во-
дяного пара из недр Луны и его за-
мерзание у поверхности — основаны
на определенных предположениях и
нуждаются в проверке на опыте.
Надо разработать экспериментальные
методы поиска льда и с их помощью
обследовать Луну по всей поверх-
ности, а также и вглубь.
Диапазон изменения температур
на лунной поверхности очень ши-
рокий (от —160 до +120′ С). Можно
предположить, что свойства льда и
таком широком диапазоне температур
тоже не постоянны. Поиски льда
на Луне (пока теоретические) побу-
дили к новым исследованиям свойств
льда в земных лабораториях.
В 1969 году был изучен процесс
замерзания воды в условиях лунной
тени, то есть при давлении, меньшем
десяти миллионных долей атмосферы,
и температуре (—170° С)—(—180е С).
При этом была открыта неизвестная
до сих пор форма льда — аморфный
лед. Он вдвое плотнее воды: вода,
замерзая при столь низких темпера-
турах, не расширяется (вспомните,
что обычный лед плавает на поверх-
ности воды), а сжимается.
Схема опыта очень проста. Дис-
тиллированная вода впускалась в
вакуумную камеру и намерзала тон-
ким слоем льда на металлическом
конусе. Объем льда определялся срав-
нением фотографий конуса до и после
намерзания льда, масса определялась
взвешиванием. Отсюда находилась
плотность. Лед, намерзавший на ко-
нусе при температурах ниже —175° С,
имел плотность 2,3 г/см3 и был по-
хож на стекло. Примеси других
веществ мешают образованию тяже-
лого льда; он характерен для совер-
шенно чистой воды.

14 Вода на луне.

На первый взгляд, нет. Если вода нахо-
дится в твердом или газообразном состоя-
нии, то как же она может течь? Однако при
более внимательном анализе диа>рам.уы со-
стояния (рис. 2) такой простой ответ оказы-
вается неверным.
Представим себе, что по поверхности
Луны течет поток воды. Вода будет интен-
сивно испаряться с поверхности. При испа-
рении тратится много тепла. Это тепло отни-
мается у еще неиспаривщейся воды и она
начнет замерзать. Образующийся лед легче
воды. Он будет плавать на поверхности и соз-
даст дополнительное давление на поверх-
ность воды своим весом. Когда давление
слоя льда Р — pgft превысит давление в
тройной точке Ро= 0,006 от, вода перестанет
испаряться.
На Луне g— 1,16 м/ак*. плотность льда
равна 0,9 г/см3, то есть минимальная тол-
щина слоя льда, предохраняющего воду
от кипения при V* С, равна
Р^ 0,006- Юън/м3
¦’ ~ pg «» 0,9 10s кг/м3-1.6 м/сек1**0’* ж’
Но есть ли на поверхности Луны бороз-
ды, похожие на русла земных рек? Оказы-
вается, да. Извилистые борозды были заме-
чены на Луне еще в 1788 году. Они обычно
берут свое начало в кратерах, на возвышен-
ностях и кончаются в низинах. Недавно
американские ученые Лингенфельтер, Пил
и Шуберт предположили, что извилистые
борозды — это бывшие русла лунных вод-
ных рек, протекавших под защитным слоем
льда. Действительно, по своему строению и
размерам извилистые борозды внешне похо-
жи на русла земных рек. Источником воды
мог послужить подледный ее слой. Крупный
метеорит в состоянии пробить лунную кору
до водного слоя и открыть воде путь на по-
верхность.
Но существуют и другие теории возник-
новения извилистых борозд, например, от по-
токов лавы. Правильна ли та или иная тео-
рия, должны показать дальнейшие исследо-
вания. В «земных» лабораториях предпри-
нимались попытки смоделировать «лунные
реки».
В вакуумную камеру помещался под-
нос с размерами ЗОх 42,5 см. дно которого
заполнялось слоем измельченной скальной
породы с частицами от 100 микрон до 4 мм
(в большинстве опытов диаметр частиц это-
го «реголита» составлял 100—500 микрон).
Толщина слоя породы менялась от 0 до 5 см.
Поднос ставился наклонно. Вода вводилась
через трубку в торцевой части подноса,
поднятой кверху, со скоростью до 800 мил-
лилитров в минуту. В камере поддерживалось
давление около 6,0013 am, то есть в пять
раз ниже, чем давление в тройной течке.
Результаты опыта были следующие.
При атмосферном давлении ноток воды дей-
ствительно прорывал в «реголите» систему
каналов. Правда, извилнн, характерных для
земных рек, не наблюдалось, но эти каналы
тоже разветвлялись и меняли направление.
Прн опытах в вакууме наблюдалась
совсем иная картина. Поток воды интенсив-
но закипал по всей своей длине, разбра-
сывая в стороны частицы «лунной пыли»
и образующегося льда. Кипение продол-
жалось несколько секунд, пока источник
воды не покрывался ледяной коркой. Вода
продолжала течь под елсем льда, но текла
не обязательно вниз, по направлению на-
клона подноса с почвой. Она просачивалась
сквозь «реголит», прорываясь на поверх-
ность то в одном, то в другом месте. Этот
процесс выхода на поверхность носил ха-
рактер взрыьа—струя пара увлекала за ее-
бой частицы реголита затем образовывалась
ледяная корка. В конце каждого опыта ле-
дяной слой покрывал собой весь поднос с
почвой. Затем он испарялся. Образования
каналов не наблюдалось, поверхность поч-
вы приобретала холмистый характер.
Так что экспериментальных подтверж-
дений гипотеза о «лунных реках» не нашла.
Более вероятно выделение водяных
паров из глубин Луны вулканами. Вулка-
ническую деятельность (выделение газов из
глубин Луны) обнаружил ленинградский аст-
роном профессор Козырев. Если в глубине
еще сохранилась вода, то при извержениях
газов должны выделяться и пары воды.

От редакции

Недавно в нашей печати было сообщение о том, что группа американских ученых,
проводивших исследования Луны по показаниям приборов, оставленных на ее поверхности
экипажами космических кораблей «Аполлон-12» и «Аполлон-14», обнаружила «лунный
гейзер», извергающий водяной пар. Это сообщение нуждается в дальнейшей проверке.

15 Вода на луне.

ЗАДАЧИ ПО ФИЗИКЕ.
Физика для поступающих в вуз.

 

Статистика


Яндекс.Метрика