10
Мы знаем далеко не все ресурсы Луны, но и того, что известно, достаточно, чтобы предположить, что в будущеем на Луне возникнут лунные станции и колонии. Одана из основных трудностей в организации колони — обеспечение человека водой и кислородом. В день человека необходимо применно 0,9 ке безводной пищи, 0,9 ке кислорода и 2,7 ке воды. В лунных образах, доставленных советскими и американскими космическими кораблями, никаких следов воды не обнаружено.
Однако есть основания предполагать, что вода на Луне была.
В нашей дни получила широкое распространение теория эволюции, по которым Луна, как и Земля, образовалась из облака мелких твердых частиц. Эти частицы у Луны содержали примерно столько же воды (т. н. ювенильная, то есть первоначальная вода), сколько ее содержало вещество Земли: «строительный материал» у Земли и Луны был примерно одинаковов. Распад радиоактивного урана и радиоактивного калия привел с течение времени к разогреву глубинных слоев Луны до температур 1000—2000°С. Содержащаяся в веществе Луны вода испарлась и проникала в виде пара наружу, к поверхности. Судьба этого пара зависяла от условий у поверхности Луны, от ее температуры.
Температура поверхности Луны достигает днем +120°С, а почью опускается до −160°С (в полярных районах до −200°С). Материалы, из которых сложена поверхность Луны (мелкие обломки различных минералов — так называемый «реголит»), плохо проводят тепло. Поэтому суточные колебания температуры проникают весма неглубоко и уже на глубине меньше метра под поверхностью температура не зависит от времени лунных суток. В низких широтах, близзи экватора, она равна примерно −30°С. При такой низкой температуре под поверхностью выделившийся из недр Луны водной пар должен был замерзнуть, образуя слой льда.
Оценим границы слоя льда. Температура растет с глубиной. На Земле температура увеличивается на 28°С на каждом пройденном вгулубь kilometer. Допустим, что радиоактивные процессы выделения тепла на Луне также же, как на Земле. Тогда на Луне температура повышается на 30°С до точки таяния льда (0°С) на глубине около 1 км. Такова нижняя граница лунного слоя вечной мерзлоты (рис. 1), а под ним расположен слой воды.
На верхней границе слоя льда с его поверхности непрерывно отрываются молекулы, лед испаряется. Горные породы на Луне, как это уста-
11
новлено при исследовании лунных образцов, всегда содержат поры. Молеклы пара пропетают по этим порам и выходят на поверхность Луны.
Мы знаем возраст горных пород Луны по относительной содержанию радиоактивных изотопов и продуктов их распада в лунных образцах. Этот возраст поряка 4,5 миллиарда лет. Расчет показывает, что при и известных нам физических свойствах и структуре лунных горных пород за эти 4,5 миллиарда лет led из лунной коры испарился не весь.
Гипотезу о вечной мерзлоте и глубинном слое воды на Луне вывиднул в 1961 году американский астрофизик Голд. Оdnako его вывод о существовании в глубине лунной коры льда и воды основан на некоторых предположениях.
Рис. 1.
Во-первых, считается, что общее количество ювенильной воды в 1 кг вещества Земли и Луны было одинаково, и это общее количество ювенильной воды оценивается по средней глубине мирового океана (слои воды, получающийся делением объема воды океанов, морей, льдов Арктики и Антарктики, льдов горных районов на поверхности Земли). На Земле эта глубина ~1 км.
Во-вторых, считается, что значительная часть ювенильной воды выходит на поверхности уже после остыления лунной коры и потому замерзала в led, который испарился медленно — сквозь поры.
Если пары ювенильной воды успели выйти на поверхности лунной коры, чтобы надежно расчитать процесс испарения из нее льда.
Подпоченные льды есть и на Земле. В тех районах, где среднего давления температура ниже 0°С, под поверхностью Земли сохраняется слоей вечного мерзлой почвы, которая только частично оттаивает летом. Районы вечной мерзлоты составляют 15% земной суши (и еще 10% суши занимают ледники). В нашей стране вечная мерзлота охватывает общие пространства Сибири и Дальнего Востока.
Превращения led—вода—пар на Луне и на Земле *)
Поднимемся теперь из глубины на поверхности Луны. Как будут вести себя вода, led и пар днем ()
*) Настоящее рекомендация читателя популярующего книгу академика Л. Д. Ланду и проф. А. И. Китайгородского «Физика для всех», М., «Нayka», 1963. Глава 12 этой книги послужит наиболее пособием по всем физическим вопросам, затронутым в нашей стране.
12
Рис. 2.
и ночь () на самом поверхности, без зашитного слоя лунной коры? Ответ на эти вопросы дает так называемая диаграмма состояния воды (рис. 2), о котором мы сейчас и рассакжем.
Будем по вертикальной оси откладывать давление, под которым находится лед, вода или пар, а по горизонтальной оси — их температуру. Каждый точке на плоскости, ограниченной осями координат и , соответствует определенное состояние воды (лед, вода или пар).
Начнем со льда. Синяя кривая показывает зависимости давления, под которым плавится лед, от температуры. Чем выше давление, тем ниже температура плавления. Отойдем от синея кривой немного впраvo: при том же давлении повышем температуру. Лед полностью растает — точки плосости правее синея кривой соответствуют воде. Если от синея кривой отойти влево — уменьшить температуру, то вода замерзнет, превращается в лед. В точках синея кривой (и только при этих давлениях и температурах) лед и вода находятся в равновесии друг с другом — сколько плавится льда, сколько же воды превращается в лед. Поэтому синюю кривую называют кривой равновесия льда и воды.
Если мы будем повышать температуру воды при неизменном давлении, то попадем в область таких температуры, при которых может существовать только пар. Эта область температур и давления находится справа от красной кривой — кривой равновесия воды и пара, или, другими словами, кривой зависимости температуры кипения воды от давления. Эта кривая, как видно из рисунка, показывает что чем ниже давление, под которым находится вода, тем ниже и температура ее кипения. Это мы хорошо знаем — например, высоко в горах, где давление воздуха мало, альпинисту трудно сварить в кипятке яйцо, приходимся жарить яичницу. На вершине Эльбруса, где давление составляет поливну atmosферию, вода кипит при .
Уменьшим давление до 0,006 am. Опыт показывает, что температура кипения сниится до нуля (точнее, до ) — «кипяток» имеет температуру замерзания воды. А что будет при дальнейшем попаже давления? Temperatura кипения упадет ниже нуля, «кипяток»
14
равно атмосферному или большие него, если лед покрыт слоем воды (рис. 3).
Для кривой равновесия вода—пар все обстоятельское. Все точки справа от красной кривой соответствуют устойчивому состоянию — пар, слева — устойчивому состоянию — вода. Если давление водяного пара меньше давления на красной кривой, то вода при данной температуре полностью испарится (пар над ней ненасыщенный). В атмосферном воздействии давление водяного пара обычно составляет 0,013 am, то есть 60% от давления насыщенного пара. Поэтому напитая в блюде вода со временем всегда испарится. При охлаждении воздуха давление 0,013 am становится больше давления насыщенных паров при новой температуре и воданой пар конденсируется (пример — утренняя роса).
Но испарение с поверхности жидкости — процесс очень медленный. Существует другой процесс перехода жидкости в пар, значительное более быстро — испарение при кипении. В этом случае пузырыки пара образуются во всем объеме жидкости. Внешнее давление (полное давление 1 am) передается с поверхности жидкости также и во все точки в ее глубине, поэтому образующийся внутренний давление, равное (или большое) полному давлению на жидкость, вне зависимости от того, какова причина этого внешнего давления — водяной пар или давление atmosферного воздуха.
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 эффекты.
Замерзнет пар или нет, зависит не только от его температуры, но и от давления. На Луне при низких давлениях водяной пар мог выйти на ее поверхности, и не замерзнуть. На рисунке 2 мы видим, что в лунных условиях водыной пар может существовать и при температуре, близких к —200°С. Все зависит от условий (зависимость давления от глубины, температура, пористость вещества Луны), которые на протяжении 4,5 миллиарда лет истории Луны могли быть самых различными.
Таким образом, оба основных пункта теории подпочвенного льда — выход достаточно количества водяного пара из недр Луны и его замерзание у поверхности — основаны на определенных предположениях и нуждаются в проверке на опыта. Над разработать экспериментальные методы поиска льда и с их помощью обследовать Луну по всей поверхности, а также и в глубину.
Диапазон изменения температур на лунной поверхности очень широкий (от —160 до +120°С). Можно предложить, что свойства льда в таких широком диапазоне температур тоже не постоянны. Поиск льда на Луне (пока теоретические) побудили к новым исследованиям свойств льда в земных laboratorиях.
В 1969 году был изучен процесс замерзания воды в условиях лунной тени, то есть при давлении, меньше десяти миллионных долей atmosферы, и температуре (—170°С)—(—180°С). При этом была открыта неизвестная до сих пор форма льда — аморфный лед. Он вдвое плотнее воды: вода, замерзая при столбизных температурах, не расширяется (вспомните, что общий лед плавает на поверхности воды), а скнимается.
Схема опыта очень проста. Дистиллированная вода впускалась в вакуумную камеру и намерзала тонким слоем льда на металлическом конусе. Объем льда определялся сравнительным фотографийной конуса до и после намерзания льда, масса определялась взвешиванием. Отсюда находится плотность. Лед, намерзший на конусе при температуре ниже —175°С, имел плотность 2,3 е/cm³ и был пожок на стекло. Применяя двухствов-mechanical methods of measuring the temperature of water, on the same scale, the temperature of water is measured using a thermometer.