Какова температура лунной поверхности?
Луна практически лишена атмосферы, и здравый смысл подсказывает нам, что дневная сторона Луны, непрерывно освещаемая Солнцем в течение двух недель, должна быть очень горяча. Ночная сторона должна быстро охлаждаться. На Земле воздух играет роль одеяла, смягчая резкие колебания температуры в обоих направлениях. Колебания температуры на Луне измеряются с все возрастающей точностью, начиная с работ Росса в 1868 г. Солнечный свет, падающий на лунную поверхность, частично поглощается, и это поднимает температуру наружных слоев. Эти слои в свою очередь пере излучают энергию в длинах волн, соответствующих их температуре. Росс использовал две термопары, расположенные рядом в фокусе его 90-сантйметрового рефлектора и соединенные с гальванометром навстречу друг другу. Они служили приемникам» тепла. Одна принимала свет от Луны, другая — от неба. Затем Росс вставил стеклянную пластинку, чтобы устранить инфракрасное излучение Луны, и, учтя потери при отражении от пластинки, нашел разницу в отклонениях гальванометра, т. е. тепловой поток от Луны. Сделав разумные предположения о прозрачности атмосферы и альбедо Луны, он получил для эффективной температуры Луны 397° К. Росс определил также изменения эффективной температуры Луны с углом фазы, и его результаты хорошо согласуются с данными более поздних наблюдений. В 1930-х годах Петит и Никольсон, работая с 2,5-метровым телескопом и используя в качестве приемников тепла крошечные термопары, составили температурные карты Луны. Они установили, что максимум температуры 407° К достигается в подсолнечной точке полной Луны (в центре диска) . Как и ожидалось, к лимбу температура падает приблизительно до точки замерзания воды. Полуночная температура в центре диска в новолуние равна около 120° К. Средняя инфракрасная температура по всей Луне, как по освещенной, так и по темной полусферам, низка, всего лишь около 228° К. Петит и Никольсон измерили температуру подсолнечной точки, когда Луна была в четверти. Они нашли, что она равна только 358° К, что существенно ниже 407° К в соответствующей точке для полной Луны. Такое различие вызвано неровностью поверхности. Это означает, что, приписывая какому-то месту Луны определенную температуру, следует очень тщательно учитывать все условия, при которых она была получена. Точнейшие современные измерения довольно близки к этим ранним результатам. Вероятно, первый намек на то, что в лунной поверхности есть что-то явно необычное, был получен в 1927 г. В этом году во время лунного затмения 14 июня Петит и Никольсон измерили изменения температуры в точке, находящейся всего в 48" от южного лимба. Работы, проведенные позднее во время других затмений, подтвердили полученные странные результаты. За час, в течение которого полутень Земли проходила через эту точку, к моменту начала полной фазы температура упала от 342 до 210° К. Быстрое падение продолжалось и в течение последующих 20 мин температура снизилась до 170° К. Затем температура медленно падала вплоть до конца полной фазы, когда она достигла 152° К. Когда лучи Солнца вновь попали на эту точку, температура медленно поднялась до 160° К- Затем она быстро росла и к концу затмения фактически вернулась к первоначальной. Это было удивительное наблюдение. Ничего подобного не происходит на Земле во время полных солнечных затмений, хотя температуры воздуха и почвы падают на несколько градусов. Чтобы понять эти результаты, нужно учесть следующее обстоятельство. Если бы лишенная воздуха поверхность Луны была покрыта голыми скалами, их высокая теплопроводность не дала бы температуре так неистово колебаться. В действительности не более 5% лунной поверхности, а, вероятно, еще меньше, могут быть скалами, открытыми лучам Солнца. Луна должна быть покрыта каким-то другим веществом с сильными теплоизолирующими свойствами, и, вероятнее всего, этим веществом является пыль. Если взять мелкораздробленный и распыленный камень, то лабораторным путем можно установить, что пылевые частицы соприкасаются друг с другом в относительно небольшом числе точек. В вакууме конвекция отсутствует. Тепло может передаваться только излучением, что при наблюдаемых температурах лунной поверхности не очень эффективно, и теплопроводностью через точки контакта, площадь которых ничтожна. Это означает, что тонкая пыль в вакууме является одним из лучших известных нам теплоизоляторов. Если, как принято считать, лунная поверхность покрыта пылью, лучи Солнца будут быстро нагревать ее верхний слой до высоких температур. Изолирующие свойства пыли не позволят значительному количеству тепла проникнуть далеко вглубь поверхностных слоев. Чтобы объяснить температуры, наблюдаемые во время затмения, достаточно слоя пыли примерно 0,5 см толщиной. Глубже температура будет очень низкой. Если слой пыли гораздо толще, то под ним солнечное тепло не будет ощущаться. Если пыль покрывает скальные породы, то какое-то количество тепла может проникнуть на глубину нескольких метров. В действительности есть указания на то, что слой пыли тонок и под поверхностные слои лучше проводят тепло. Лунный грунт при данной температуре излучает не только инфракрасные лучи, но и радиоволны. Эти радиоволны можно легко обнаружить и определить температуру поверхностных слоев. Хотя горные породы непрозрачны для инфракрасного излучения, радиоволны они частично пропускают. Чем больше длина волны, тем больше глубина, с которой мы можем наблюдать радиоволны. Температуры, определенные по измерениям радиоизлучения, являются, таким образом, усредненными по глубине вплоть до глубин, в 3 раза больших длины волны. Во время затмения колебания температуры, определенной по инфракрасному излучению, составляют примерно 290°. На радиоволнах длиной 1,5 мм эти колебания составляют только 130°. На волне 8,6 мм и еще более длинных волнах колебания температуры ничтожны. За всю лунацию температура, определенная радиотехническими средствами, меняется только на 85°, но средняя температура такая же, как и по инфракрасным наблюдениям. В сущности это означает, что температуры поверхности колеблются чрезвычайно сильно, но сразу же под поверхностью температура непрерывно падает, примерно до 228° К или даже ниже, и на нее накладываются лишь небольшие колебания, вызванные поглощением и излучением солнечного тепла. Эти колебания исчезают на глубине десятков сантиметров или нескольких метров. Самые верхние слои ночью охлаждаются до очень низких температур из-за излучения в пространство. Внутреннее тепло Земли вызвано в основном радиоактивностью. Есть много оснований полагать, что глубокие недра Луны тоже горячи. Однако при разумных количествах радиоактивных веществ в Луне глубинное тепло, медленно проходя через сотни километров теплоизолирующих пород, может поддерживать температуру лунной поверхности лишь на очень низком уровне, порядка 20е К. Это гораздо меньше наблюдаемой по радиоизлучению температуры под поверхностных слоев 228° К, и поэтому мы приходим к выводу, что эти слои нагреваются следующим образом. Радиоактивное тепло дает 20°, а солнечное тепло постоянно добавляет остальные 208°. Эта величина не меняется и температура является равновесной. Кроме того, существует ежемесячный приток тепла от Солнца. Наружный слой становится очень горячим, и за двухнедельный день какое-то количество тепла проникает вглубь Луны на десятки сантиметров или метры. Когда Солнце исчезает, тоже на две недели, тепло перемещается в обратном направлении, и недавно приобретенное тепло пере излучается. Нам, вероятно, трудно представить себе такие резкие перемены, ибо мы живем под защитой атмосферы. Луна получает от Солнца такое же количество тепла, что и Земля. Единственное существенное различие создает воздух. Пылевая природа сильно изолирующей лунной поверхности есть следствие отсутствия воздуха. Многочисленные силы, такие, как микрометеориты, космические лучи, корпускулярное и ультрафиолетовое излучение Солнца, действуют на незащищенную лунную поверхность, но не действуют на земной грунт. Космонавт, стоящий на Луне днем, отметит, что температура его освещенного Солнцем костюма выше точки кипения воды. Если он отступит в тень, температура упадает приблизительно до такого уровня, который нужен для сжижения воздуха.
