Экспериментальные исследования химического состава лунной поверхности, проведенные в настоящее время, не подтвердили гипотезу Г. Юри — на Луне не обнаружены породы, сходные по своему составу с метеоритами. Однако возможная роль метеоритов в формировании рельефа лунной поверхности сейчас подробно обсуждается. В частности, получила известность «метеоритно-шлаковая» гипотеза строения и происхождения покрова Луны, предложенная и подробно разработанная советским астрономом Н. Н. Сытинской.
Как известно, при каждом падении метеорита на поверхность Луны возникает своеобразный взрыв. Если скорость метеорита (в момент столкновения) составляет несколько десятков километров в секунду, то выделяемое при этом тепло полностью обращает в пар не только сам метеорит, но и часть вещества лунного грунта, находившегося вблизи падения (причем масса испарившегося лунного вещества может в несколько тысяч раз превосходить массу метеорита). По мнению Н. Н. Сытинской, конденсация испарившегося материала должна происходить таким образом, что на месте падения метеорита образуется не пыль, а нечто похожее на гранулы пористой массы — ноздреватые, слипшиеся и спекшиеся образования темного цвета. По своему внешнему виду они должны напоминать шлаки, возникающие на поверхности лавы при ее извержении из земных вулканов (отсюда и название данной гипотезы).
Итак, мы рассмотрели несколько гипотез об образовании, строении и составе лунного грунта. Согласно им поверхность Луны может состоять из самых разнообразных горных пород — от основных до кислых и осадочных (и даже метеоритноподобных). Таким образом, определенного ответа на вопрос, какие химические элементы и в составе каких пород (в земных аналогах) могут встретиться на Луне, существовавшие тогда данные наблюдений и основанные на них гипотезы дать не смогли. Химический состав лунного грунта так и продолжал оставаться загадкой для ученых, решение которой стало возможным лишь после экспериментальных исследований, проведенных с помощью ракетно-космической техники.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВА
Прогресс ракетно-космической техники позволил осуществить желания многих ученых провести непосредственные исследования химического состава вещества лунной поверхности — «почвы» Луны. При этом стали возможны три вида исследований: 1) исследование общих, глобальных характеристик поверхности с помощью приборов, расположенных на искусственных спутниках Луны; 2) непосредственное изучение состава Луны с помощью приборов, доставленных на ее поверхность; 3) анализ образцов лунного грунта, доставленных на Землю.
Что же конкретно предстояло изучить? Во-первых, нужно было определить химический состав вещества лунной поверхности и сравнить его с составом Земли, метеоритов и Солнца. Во-вторых, предстояло исследовать роль внутренних (излияние лавы, движение коры) и внешних (удары метеоритов, солнечное облучение) процессов в создании современного рельефа лунной поверхности, и, конечно же, ученых прежде всего интересовало, похожи ли по своему составу лунные и земные породы.
Классификация типов земных пород, упомянутая выше (см. 1-ю сноску), исходит из различного содержания в этих породах наиболее распространенных химических элементов — кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, калия, кальция, титана и железа, которые называются основными породообразующими элементами (их суммарное содержание в любых земных породах достигает 99 %).
Определение концентраций основных породообразующих элементов позволяет однозначно отнести образец к типу каменных метеоритов или к какому-либо типу земных горных пород. Однако обязательно ли для этого измерять концентрации всех десяти перечисленных элементов? Ведь произвести химический анализ поверхности другого небесного тела — очень сложная научно-техническая задача. Нельзя ли упростить ее и свести число измеряемых элементов к минимально необходимому?
Для этого надо было выяснить, какие же химические элементы являются наиболее «представительными» в том или ином типе породы. Как оказалось, в ряде случаев существенную информацию может дать отношение концентраций различных элементов, среди которых наиболее «представительными» являются магний, алюминий, калий, кальций и железо. Другие элементы представлены в лунных породах в значительно меньших количествах.
Именно содержание этих элементов в лунном грунте и предстояло измерить в первую очередь. Естественно, что выбор метода измерений определялся требованиями, диктуемыми особенностями современного лунного космического эксперимента. На рассматриваемом этапе такой метод должен был обеспечить быстрое и многократное получение информации при полной автоматизации всех процессов анализа, причем в- таких условиях, когда анализируемая поверхность является абсолютно неподготовленной.
На Земле обычно процедура химического анализа состоит из нескольких этапов. Самый начальный — подготовка образца, который в зависимости от метода анализа либо взвешивают и измельчают, либо прессуют в таблетку, а иногда шлифуют или делают тонкие срезы. Идентичность подготовки всех образцов обеспечивает возможность достижения высокой точности анализов и является обязательным условием анализа в земных лабораториях. Совсем другое дело — анализ грунта непосредственно на Луне: грунт неровный, на поверхности видны комки слипшихся частиц, то и дело попадаются камни самых разных размеров (геологи называют это как «грунт в естественном залегании»). Поэтому надо было искать метод, не требующий подготовки образцов, и на его основе создать надежную и легкую аппаратуру с минимальным энергопотреблением.
Требования к этой аппаратуре были очень жесткими. Она должна была переносить весь комплекс вибрационных и ударных нагрузок в период старта ракеты с Земли и в момент доставки прибора на поверхность Луны, а также должна работать в условиях интенсивного космического облучения, глубокого вакуума и резких температурных перепадов (от –150 °C в течение двухнедельной лунной ночи до +130 °C в дневной период).
Учитывая все эти требования, рассмотрим теперь существующие методы химического анализа и обсудим вопрос о применимости того или иного метода при космических экспериментах непосредственно на поверхности Луны.
К классическим, «мокрым», химическим методам относят те, в которых используются специальные аналитические реакции: по результатам этих реакций судят о наличии (в том числе и количестве) или отсутствии искомого химического элемента. Иногда (при так называемом весовом анализе) определяемый элемент осаждается в виде практически нерастворимого соединения (или простого вещества), отделяется от раствора (фильтрованием, промывкой, сушкой) и взвешивается, а затем по весу осадка рассчитывается количество искомого элемента. Кроме того, можно использовать электролиз, когда определяемый элемент под воздействием постоянного электрического тока выделяют при определенных условиях на электроде. Объемный (титрометрический) анализ основан на применении водного раствора с точно известной концентрацией растворимых реактивов. Применяются также физико-химические способы анализа: колориметрия (изменение интенсивности окраски цветного соединения, получаемого по аналитической реакции), турбудиметрия, нефелометрия (изменение интенсивности света, проходящего через суспензию осадка, полученного в результате аналитической реакции, или рассеянного им), полярографические и адсорбционные методы.