Как измеряли Луну

1960-е, разгар «Лунной гонки». Еще совершенно непонятно, кто первым высадится на Луну — мы или американцы.

Более того, не очень понятно, на что сядет лунный корабль — на твердую поверхность или в пылевую трясину. Ведь по поводу поверхности Луны существует две теории: «пылевая», по которой Луна покрыта многометровым слоем пыли, и «метеорно-шлаковая», согласно которой пыль толщиной всего в несколько миллиметров лежит на твердой основе.

Чтобы узнать свойства поверхности, нужно прилуниться. А чтобы прилуниться, нужно знать свойства поверхности.

Для решения задачи в СССР начинаются наблюдения по методу «искусственной Луны». В разных районах Советского Союза ставят мачты, на которые поднимают и опускают диски диаметром несколько метров — искусственные луны.


Диск размещался на горе, радиотелескоп — под горой.

Начало 1960-х (радиоастрономическая станция «Зименки» под Горьким):

Сегодня (Крым, недалеко от Судака):

Диск имел те же угловые размеры, что и Луна, и находится на той же высоте над горизонтом. Поверхность диска представляла собой абсолютно черное для радиоволн тело:

С помощью радиотелескопа команда под руководством профессора Всеволода Сергеевича Троицкого измеряла интенсивность инфракрасного и радио- излучения от диска. Длина волн составляла от 0,87 мм до 70 см.

Затем диск опускали, измеряли радиоизлучение от неба и настоящей Луны, сравнивали с эталоном (излучением диска, температура которого точно известна), и таким образом определяли температуру спутника Земли.

Измеряли температуру и раньше. Прорывность метода заключалась в том, что точность измерений резко улучшилась: с 20% до 1-2%. А из этого уже можно было делать далекоидущие выводы:
1) Плотность вещества в верхнем слое вещества Луны близка к значениям 0,9-1,2 г/куб.см. Весь слой находится в сильно пористом (50-70%) состоянии в виде застывшего пенистого материала, имеющего теплопроводность в диапазоне (3-5)*10^-3 Вт/(м*К).
2) Угол диэлектрических потерь вещества Луны на СВЧ примерно равен потерям в хороших диэлектриках, применяемых в технике.
3) Порода на поверхности в среднем содержит 57% оксида кремния (кварц), 16,5% оксида алюминия (корунд), 7,5% оксида железа.

Каким образом можно определить все эти характеристики по радиоизлучению?
Последовательность, видимо, была такова:
а) С помощью радиолокатора определили коэффициент отражения радиоволн от поверхности Луны (2-4%). Зная, что коэффициент зависит в основном от плотности материала и изучив аналогичные коэффициенты для земных горных пород (10%), пришли к выводу, что лунные породы в 2-5 раз легче земных.
б) С помощью радиотелескопа исследовали собственное излучение Луны на разных длинах волн и получили температуры грунта на разных глубинах (мощность радиоизлучения пропорциональна температуре; чем длиннее волна, тем с большей глубины она приходит).
в) Следя за динамикой изменения температур по глубине во время лунных затмений, сделали выводы о величине коэффициента теплопроводности грунта: он оказался крайне мал и не менялся до глубины нескольких метров. Значит, во-первых, этот слой однороден. А во-вторых, это не пыль (пыль бы самоуплотнилась под действием гравитации, и коэффициент теплопроводности с глубиной бы увеличивался). Следовательно, материал относительно прочный, сохраняющий структуру.
г) Изучили зависимость толщины радиоизлучающего слоя от длины волны и сравнили ее с аналогичными показателями земных пород. Пришли к выводу, что примесей раздробленного (метеорного) железа на Луне нет, т.к. это бы нарушило линейность зависимости. И установили, что наиболее близкими по составу к «луниту» являются земные гранит, габбро, диорит и вулканические туфы. Но, видимо, с другой (пористой) структурой, объясняющей низкую теплопроводность.

Здесь В.С.Троицкий и его коллеги сами рассказывают (Троицкий появляется на 16:07):

Для оценки точности выводов Троицкого приведу выдержки из лабораторных исследований реголита, проведенных уже после взятия проб на Луне и доставки их на Землю:
1) Объемный вес 1,0-2,0 г/куб.см. Характерна очень большая рыхлость: пористость в районе 50%. Теплопроводность составляет (8-13)*10^-3 Вт/(м*К).
2) Реголит — хороший диэлектрик, его диэлектрическая проницаемость равна 3,36.
3) Химический состав сильно варьируется в зависимости от места взятия проб: оксида кремния 47-76%, оксида алюминия 12-19%, оксида железа 2-12%.

В феврале 1966-го стокилограммовая станция «Луна-9» совершила первую в истории мягкую посадку на другое небесное тело.
Фотоснимки показали, что в месте посадки отсутствует толстый и рыхлый пылеватый покров, в котором мог бы утонуть лунный корабль, что поверхностный слой обладает достаточно высокой несущей способностью, и что главную опасность при посадке аппаратов, по-видимому, будет представлять не пылевой слой, а неровности рельефа.

Собственно, Троицкий:

Тот самый человек, на мнении которого основывался С.П. Королев, когда писал свое знаменитое
«Посадку лунного корабля следует рассчитывать на достаточно твердый грунт типа пемзы».

1. Успехи физических наук, 1963 ^[1]
2. Троицкий В.С., «Радионаблюдения планет и спутников», 1983
3. Фотографии современного состояния установки отсюда ^[2].

Автор: 22sobaki

Источник ^[3]