Как образовались лунные кратеры
Со времени открытия кольцеобразных гор (кратеров) на Луне Галилеем в 1610 г. ученых не оставлял вопрос об их происхождении. На его решение ушло три с половиной столетия. Представлялось удивительным обилие кольцевых гор на Луне и полное отсутствие их на Земле. Какие причины могли привести к их образованию?
Размеры лунных кратеров (см. фото) были самые разнообразные: от 200-километровых гигантов, как Байи, Гримальди, до находившихся на пределе различимости, который зависел от мощности телескопа (у наиболее мощных современных телескопов он составлял 1 км).
Лунная поверхность резко подразделялась по рельефу на два типа: сравнительно светлые возвышенности, получившие название «материков», и обширные темные гладкие пространства, которые были названы «морями». Несомненно, в начальный период исследования Луны их и считали морями, но, как только астрономы поняли, что Луна лишена атмосферы, название «моря» приобрело условный характер.
Дело в том, что жидкая вода может существовать только при вполне определенных давлениях атмосферы. По мере понижения давления точка кипения воды понижается (это явление хорошо знакомо альпинистам) и при некотором критическом давлении достигает точки плавления льда. Это давление близко к 10 мбар. Поэтому даже на Марсе, где среднее давление атмосферы равно 6 мбар, жидкая вода существовать не может; твердая фаза воды (лед) непосредственно переходит там в газообразную (пар) и обратно.
На Луне ситуация несколько иная. Там атмосферы нет, давление практически равно нулю и даже лед, если бы он там был, должен был бы постепенно испариться под действием солнечных лучей, а пар из-за малой силы тяжести должен был рассеяться, улетучиться в мировое пространство, как улетучилась когда-то вся лунная атмосфера. Так что на Луне (по крайней мере, на ее поверхности) нет и воды.
Лунные «моря» хорошо видны даже невооруженным глазом, особенно в полнолуние. Они образуют на лунном диске характерные фигуры, которые одним кажутся похожими на двух людей, другим — на человеческое лицо, третьим — на зайца. Уже в хороший бинокль видны крупнейшие кратеры. Они лучше различимы в фазах первой или последней четверти, когда солнечные лучи освещают поверхность Луны под косым углом и кратеры (а также горные хребты, имеющиеся на Луне) отбрасывают длинные тени.
В телескоп можно заметить, что на «материках» кратеров значительно больше, чем на «морях». Это связано с тем, что «материки» — более древние образования, чем «моря». В настоящее время природа тех и других, равно как и лунных кратеров, выяснена окончательно. Но для этого потребовалось полтора столетия напряженных усилий.
«Столетняя война» гипотез
Для объяснения происхождения лунных кратеров было выдвинуто немало гипотез. Большинство из них быстро сошло со сцены, предоставив ее двум основным «соперницам»: вулканической и метеоритной гипотезам. Сторонники этих двух гипотез, сменяя друг друга, вели между собой, по меткому выражению испанского астронома А. Палюзи-Бореля, «столетнюю войну». (В действительности эта борьба продолжалась около 150 лет, но ведь и историческая столетняя война между Англией и Францией длилась 116 лет).
Вулканическая гипотеза старше своей соперницы, хотя ненамного. Впервые ее высказал в конце 80-х годов XVIII в. немецкий астроном И. Шретер. По его мнению, кольцеобразные горы на Луне были созданы силами, исходившими из недр лунного шара и проявлявшимися в виде извержений. Возможность вулканических извержений на Луне предполагал в те же годы известный английский астроном В. Гершель. Правда, никаких доказательств столь активного вулканизма на Луне (хотя бы в прошлом) никто из них привести не мог.
Метеоритная гипотеза была предложена в 1824 г. немецким астрономом Ф. Груитуйзеном (Еще в 1667 г., за полтора столетия до Груитуйзена, метеоритную гипотезу высказывал известный физик Р. Гук. Однако эта гипотеза не получила в те годы развития и вскоре была предана забвению). По его мнению, космические массы, падавшие на Луну, были гораздо больше современных метеоритов и вызывали продавливание кольцевых участков лунной коры с образованием кратеров. Взгляды Груитуйзена были вскоре забыты, и лишь через полвека, в 1873 г., английский астроном Р. Проктор вновь высказал идею о проламывании лунной коры ударами метеоритов. Однако позже он отказался от своих взглядов.
В 1892 г. президент Американского геологического общества Г. Джильберт дал первое серьезное обоснование метеоритной гипотезы. Он впервые высказал идею, что не только кратеры, но и лунные «моря» образованы лавовыми излияниями, вызванными падениями больших масс метеоритов. Увы, статья Джильберта осталась не замеченной в астрономических кругах, и о ней вспомнили лишь полвека спустя.
В 20-х годах нашего столетия известный немецкий геофизик А. Вегенер предложил новый вариант метеоритной гипотезы. Согласно его гипотезе метеориты падали на Луну под действием лунного притяжения, а до этого обращались вокруг Луны, образуя некое «метеоритное кольцо», подобное кольцу Сатурна. Такое предположение понадобилось Вегенеру, чтобы объяснить круговую форму кратеров и отсутствие среди них кратеров с эллиптическими очертаниями. Именно этот аргумент противопоставляли доводам «метеоритчиков» их противники, резонно заявляя, что косых ударов метеоритов о лунную поверхность должно было быть гораздо больше, чем отвесных.
В то время теория сверхскоростных соударений еще не была разработана, не было и соответствующих экспериментов. Образование кратеров приписывалось в основном механическому воздействию падающего метеорита. О взрывных явлениях, сопровождающих удар твердого тела с космической скоростью, никто не имел ни малейшего представления.
А. Вегенер производил другие эксперименты. Он сбрасывал на слой цемента комья цементного порошка, получая при этом отличные модели лунных кратеров, даже с центральной горкой. В дальнейшем, уже в 50-е годы, эти эксперименты были повторены советскими любителями астрономии П. Ф. Сабанеевым и А. М. Беневоленским (см. фото).
В конце XIX и начале XX в. сторонники вулканической гипотезы тоже предприняли ряд попыток ее обоснования. В 1874 г. английские инженеры Дж. Нэсмит и Дж. Карпентер в большой книге, посвященной Луне, выдвинули фонтанно-вулканическую гипотезу, согласно которой извержение из центральной горки приводит к постепенному насыпанию вала кратера. В 1896 г. французский астроном П. Пюизё попытался обосновать вулканическую гипотезу учетом приливов, вызываемых на Луне Землей (нетрудно подсчитать, что они в 20 раз сильнее, чем те, что вызывает на Земле Луна). По мнению Пюизё, приливы и являлись причиной лавовых излияний, образовавших лунные кратеры.
Не остались безучастными к этой дискуссии и геологи. Еще в 1843 г. известный французский геолог Э. де Бомон посвятил одну из своих работ сравнению горных массивов Земли и Луны. Спустя три года американский геолог Д. Дана опубликовал статью «О вулканах на Луне». В это же время изучением форм лунного рельефа занимался такой известный геолог, как Э. Зюсс. Основная идея Зюсса об образовании морей в результате частичного расплавления поверхностного слоя Луны подтвердилась в ходе новейших исследований.
В начале XX в. проблемой происхождения лунных кратеров интересовался академик А. П. Павлов, предложивший остроумную модификацию вулканической гипотезы. По его схеме раскаленная лава, поднимаясь из недр Луны, расплавляла части лунной поверхности, что привело к образованию в этих местах круглых лавовых озер, окаймленных правильными кольцевыми валами. Взгляды Павлова имели много общего с идеями Зюсса. Но никто из геологов не дал четкой картины механизма образования лунных кратеров. Высказывались в основном лишь общие соображения.
В 1949 г. советский геолог А. В. Хабаков выпустил книгу «Об основных вопросах истории развития поверхности Луны», в которой дал подробный анализ структуры лунного рельефа. На основании этого анализа он сделал вывод о том, что происхождение всех форм лунного рельефа можно объяснить только внутренними причинами, в том числе вулканическими процессами. Но как, в ходе какого физического механизма могли образоваться кольцевые структуры, геолог Хабаков, как и его коллеги, объяснить не мог. Для этого нужно было применить методы механики и математики.
Как образуются метеоритные кратеры
О том, что метеорит, ударяясь с большой скоростью о поверхность планеты, может произвести взрывные явления, первым догадался новозеландский ученый А. Джиффорд в 1924 г., давший правильную качественную картину явлений, сопровождающих удар. В результате практически мгновенного торможения при ударе вся кинетическая энергия метеорита переходит в тепло и происходит взрыв. Давление горячих газов, равное по всем направлениям, из-за различного сопротивления среды приведет к уплотнению пород под местом взрыва, к сжатию и раздвижению пород в боковых направлениях, сопровождаемому выбросами материи, к сильному дроблению и разрушению вещества верхних слоев и к выбросу его на большие расстояния и, наконец, к образованию блюдцеобразной выемки, т. е. кратера. Работа Джиффорда не содержала развитой математической теории образования кратеров при ударах метеоритов и осталась, как это нередко случается в науке, незамеченной.
Прошло 13 лет. На механико-математическом факультете Московского университета студент выпускного курса Кирилл Станюкович готовился к защите дипломной работы. Работа называлась «О происхождении лунных кратеров». В ней была построена первая математическая теория взрывных явлений, сопровождающих удар метеорита о лунную (и любую другую) поверхность. Впервые было строго доказано, что при ударе метеорита с космической скоростью и сам метеорит, и значительная часть вещества мишени мгновенно испаряются. Громадные массы вещества оказываются выброшенными на большие расстояния. На месте взрыва образуется чашеобразное углубление — кратер. Разумеется, форма кратера не зависит от угла падения метеорита.
Готовя свою дипломную работу, Станюкович ничего не знал о статье Джиффорда. Не знал о ней и эстонский астроном Э. Эпик, который за год до Станюковича опубликовал в трудах Тартуской обсерватории статью под названием «Теория образования лунных кратеров». В этой работе проникновение метеорита в грунт при ударе, выброс вещества и образование кратера рассматривались на основе уравнений гидродинамики несжимаемой среды. Как было показано позднее, такой подход приводит к переоценке энергии удара, необходимой для образования кратера данных размеров, на один-два порядка.
Подход Эпика не удовлетворял Станюковича. Но прежде чем выставить свою дипломную работу на защиту, Станюкович сделал о ней доклад на Второй кометно-метеорной конференции, собравшейся в Москве в начале 1937 г. Работа была встречена с интересом и получила одобрение участников конференции. Краткое сообщение о ней было опубликовано в «Астрономическом журнале» ученым секретарем конференции И. С. Астаповичем. Эта небольшая заметка закрепила приоритет молодого ученого, потому что дипломная работа, которую Станюкович успешно защитил весной того же года, осталась неопубликованной. А она вполне заслуживала публикации.
Лишь через 10 лет К. П. Станюкович (ставший к тому времени уже доктором наук) опубликовал совместно с В. В. Федынским статью «О разрушительном действии метеоритных ударов», в которой изложил основы теории и главнейшие результаты, Переключение научных интересов на другие проблемы привело к тому, что до войны опубликовать свой труд Станюкович не успел и сделал это лишь вскоре после войны.
Статья К. П. Станюковича и В. В. Федынского, опубликованная в «Докладах Академии наук СССР», по праву и в настоящее время считается классической работой по проблеме образования кратеров на планетах в результате метеоритных ударов. Она развивает результаты дипломной работы Станюковича на более новой основе. В 1946 г. независимо друг от друга Л. И. Седов (будущий академик) и К. П. Станюкович вывели очень важное соотношение, связывающее давление на фронте ударной волны и энергию взрыва. Кроме того, в 1945 г. была опубликована совместная работа Л. Д. Ландау и К. П. Станюковича по теории нестационарных процессов, из которой можно было вычислить среднюю скорость масс, выброшенных при взрыве, и распределение скоростей выбросов. Были опубликованы за это время и результаты некоторых экспериментальных работ по взрывам. Все эти результаты были использованы в работе К. П. Станюковича и В. В. Федынского.
В этой работе был сделан важный прогноз о том, что кратеры, подобные лунным, должны быть на Марсе, астероидах и вообще на всех телах Солнечной системы, лишенных атмосферы. Лишь через три года аналогичный прогноз сделали Э. Эпик и К. Томбо.
К. П. Станюкович и В. В. Федынский сделали еще один важный вывод: метеоритная бомбардировка приводит к уменьшению массы малых тел Солнечной системы. Потерянная масса в тысячи раз превосходит массу ударяющего метеорита. Эта дезинтеграция планетного и кометного вещества в Солнечной системе может иметь космическое значение.
Это значение сразу понял академик В. Г. Фесенков. В изданной в следующем году монографии «Метеорная материя в междупланетном пространстве» он посвятил процессу дезагрегации астероидов, как он его назвал, целую главу. В отличие от К. П. Станюковича и В. В. Федынского, В. Г. Фесенков не интересовался физикой соударений, а рассматривал судьбу пылинок, отделяющихся от астероидов при метеоритной бомбардировке. Он показал, что именно в этом процессе формируется пылевое облако, наблюдаемое нами в виде зодиакального света.
Вернемся, однако, к теории образования лунных кратеров. К. П. Станюкович продолжал ее разрабатывать дальше. В 1950 г. он опубликовал большую статью «Элементы физической теории метеоров и кратерообразующих метеоритов». В начале 60-х годов К. П. Станюкович подытожил результаты своих многолетних исследований в специальной главе (написанной совместно с автором этой книги) монографии «Луна». Вдвоем мы разработали такие вопросы, как образование светлых лучей и венцов вокруг некоторых кратеров (это насыпные образования, результаты «веерных» выбросов из кратера), а также образование лунных «морей» в ходе грандиозных лавовых излияний из недр Луны при ударах о лунную поверхность крупных тел астероидальных размеров.
В начале 60-х годов активизировались теоретические исследования кратерообразования за рубежом. Большой вклад в теорию формирования кратеров на планетах внесли американские ученые Р. Бьорк и Ю. Шумейкер. С помощью ЭВМ были рассчитаны все деформации вещества метеорита и грунта после удара, движения частиц породы и формирование кратера (рис. 38).
Рис. 38. Процесс образования ударного кратера на Луне (по Ю. Шумейкеру)
Продолжали исследования в этом направлении и советские ученые. С разных точек зрения анализировали процесс кратерообразования Э. И. Андрианкин, Б. А. Иванов, А. К. Мухаметжанов. Они сняли всякие сомнения с ответа на вопрос: могут ли падающие метеориты образовывать кратеры, подобные лунным? Да, могут!
Метеоритные кратеры на Земле
В начале главы был поставлен вопрос: почему кратеры имеются только на Луне и их нет на Земле? Да, так ставился вопрос около ста лет назад. Но в XX в. на поверхности Земли был обнаружен целый ряд структур, которые оказались метеоритными кратерами. Еще в 1891 г. был впервые описан знаменитый Аризонский кратер (Каньон Дьябло) диаметром 1200 м и глубиной 175 м (см. фото). Но даже такой сторонник метеоритного происхождения лунных кратеров, как Г. Джильберт, не понял, что этот кратер имеет метеоритное происхождение.
В 1905 г. начал свои исследования Аризонского кратера Д. Барринджер, получивший в ходе двадцатилетних исследований неопровержимые доказательства его метеоритного (ударного) происхождения. Были обнаружены вторичные выбросы, расположенные симметрично относительно центра кратера, радиальный сдвиг пластов горных пород, в кратере была найдена так называемая горная мука и куски шлаковидного стекла — продукты расплавления пород при ударе метеорита. В самом кратере и в его окрестностях еще с 1866 г. находили осколки метеоритного железа, но долгое время это не производило впечатления на ученых. Теперь стало ясным не только происхождение кратера, но и то, что метеорит был железным. Был установлен и возраст кратера — 30 тыс. лет.
Вслед за Аризонским были обнаружены другие метеоритные кратеры: в 1921 г.— Одесса (штат Техас, США) диаметром 160 м, в 1927 г.— группа кратеров Каали на острове Саарема (Эстония) с главным кратером диаметром 110 м, в 1931 г.— группа из 13 кратеров в Хенбери (Австралия) с эллипсовидным центральным кратером 220х110 м, в 1932 г.—два кратера Вабар в Саудовской Аравии (диаметр большего 100 м). За ними последовали другие открытия. К 1965 г. на Земле было известно уже 115 метеоритных кратеров.
Но почему среди них не было таких крупных кратеров, как на Луне? Сотни метров, самое большее километр, а не десятки и сотни километров, как на Луне. «Большие кратеры должны были образоваться в очень давние времена,— рассуждали ученые,— а за миллионы лет действие воды и ветра, тектонические процессы стерли с лица Земли их следы». Но все оказалось не так, как думали в те годы. Большие кратеры лежали у нас под ногами.
Марс, Меркурий, кто следующий?
В 1965 г. американский космический аппарат «Маринер-4» передал первые фотографии поверхности Марса с близкого расстояния. На этих снимках было обнаружено более 300 кратеров размерами от 3 до 176 км. Лишь девять из них имели центральную горку. Характерным отличием марсианских кратеров от лунных было явное уменьшение количества малых кратеров (меньше 4 км). Как известно, количество лунных кратеров убывает с увеличением их размера по степенному закону вида N~D-n, где D — диаметр вала кратера, п=2. Этот закон, полностью подобный закону распределения по размерам метеорных тел, сам по себе является доводом (хотя еще не доказательством) в пользу метеоритной гипотезы образования кратеров.
На Марсе, как было установлено по снимкам «Маринеров-6, 7», до некоторого Dmin распределение кратеров по размерам следует тому же закону, что и на Луне, но число кратеров с D=1 км уступает лунному почти на порядок. Это обстоятельство можно было объяснить двояко: либо малые кратеры разрушает эрозия (на Марсе есть атмосфера, а в прошлом, вероятно, на его поверхности была жидкая вода), либо кратерообразование за последние миллионы лет почему-то ослабело.
Решению этой дилеммы помогло обнаружение кратеров на спутниках Марса — Фобосе и Деймосе (см. фото). Когда было изучено распределение кратеров по их поверхности, выяснилось, что оно в точности следует закону распределения кратеров на лунных материках (рис. 39). Это показывало, что поверхность Фобоса и Деймоса столь же древняя, как поверхность материков Луны (старше 4 млрд. лет). Таким оказался космический «возраст» обоих спутников Марса.
Рис. 39. Распределение по размерам кратеров на Луне, Марсе, Фобосе и Деймосе
Открытие кратеров на Фобосе и Деймосе стало окончательным доказательством того, что Марс, как и Луна, перенес в прошлом интенсивную метеоритную бомбардировку, но наличие атмосферы и гидросферы (а возможно, и тектоническая активность) привело к исчезновению некоторой или даже значительной части кольцевых структур на Марсе и на Земле по сравнению с Луной, Фобосом и Деймосом. Тщательное исследование поверхности Марса по снимкам, полученным с советских и американских космических аппаратов в 70-е годы, позволило положить конец «столетней войне». Дело в том, что на Марсе были обнаружены и настоящие вулканы. Да еще какие! Вулкан Олимп имеет высоту 25 км, а радиус его подножия — около 250 км (см. фото). Это самый высокий вулкан в Солнечной системе. Несколько уступают ему три других гиганта: вулканы Арский, Аскрейский и Павлиний. Их высоты — от 11 до 16 км. В отличие от ударных кратеров марсианские вулканы имеют форму конуса с кальдерой наверху. Подобно Эльбрусу, Казбеку и Арарату, марсианские вулканы потухшие.
Итак, «вулканисты» были вознаграждены. В дальнейшем они были вознаграждены еще более, после того как американский космический аппарат «Вояджер-1» передал на Землю снимки восьми действующих вулканов на спутнике Юпитера Ио, а советские межпланетные станции серии «Венера» принесли веские доказательства активного вулканизма на нашей соседке в Солнечной системе — на планете Венере. Оправдалось предвидение советского астронома профессора С. К. Всехсвятского о развитии вулканизма на планетах.
Вулканы Марса поставили перед учеными новую проблему: почему именно на этой планете образовались столь грандиозные вулканы? Мы знаем, что вулканы на Земле (включая потухшие) не превышают в высоту 5,5 км, а самая высокая гора Эверест немного «не дотягивает» до 9 км. Аналогичная ситуация на Луне и, как потом выяснилось, на Меркурии. Высочайшая вершина на Венере имеет высоту 11 км.
В природе не бывает ничего случайного (кроме действительно случайных событий, например, столкновений Земли с крупными телами, хотя и они подчиняются определенным закономерностям). Необычайную высоту вулканов Марса требовалось объяснить.
Вулканизм связан с формированием в недрах планеты расплавленной магмы, а оно, в свою очередь, с внутренним теплом планеты. Основной источник этого тепла — радиоактивный распад. Количество тепла, которое этот процесс выделяет, пропорционально (при прочих равных условиях) массе планеты, т. е. кубу ее радиуса. Площадь поверхности планеты пропорциональна квадрату радиуса. Поэтому выделение внутреннего тепла на единицу площади будет пропорционально радиусу планеты. Итак, силы, порождающие вулканизм, растут с размерами планеты, что находит подтверждение на вулканически активных Земле и Венере и в угасшем уже вулканизме Марса.
Но есть сила, ограничивающая высоту гор на планете. Это сила тяжести, не позволяющая горе расти неограниченно. Высокая сила тяжести на Земле и Венере ограничила высоту гор на этих планетах соответственно в 9 и 11 км, а на Марсе, где ускорение свободного падения меньше (3,73 м/с2), образовались горы до 25 км. Любопытно, что высота h крупнейших гор на планетах Земля, Венера и Марс обратно пропорциональна ускорению свободного падения g на их поверхности (в среднем произведение gh = 92,9): 
Планета Земля Венера Марс h, км 8,9 11,1 25 g, м/с2 9,81 8,86 3,73 gh, км м/с2 87,3 98,3 93,2
Но этот «закон» сразу нарушается, как только мы переходим к Меркурию и к Луне. На них нет гор выше 9 км. Это значит, что тектоническая (в том числе горообразовательная) активность на этих телах значительно слабее, чем на Земле, Марсе и Венере. Кстати, а как выглядит Меркурий? Первые его снимки из космоса были переданы американским космическим аппаратом «Маринер-10» в 1974 г. Перед взорами астрономов предстала... вторая Луна! Вид поверхности Меркурия (см. фото) до того напоминает Луну, что только астроном, хорошо знающий расположение лунных кратеров, сможет отличить их друг от друга.
Среди меркурианских кратеров встречаются структуры с центральными горками, со светлым и темным дном, с системами светлых лучей. Как и на Луне, встречаются кратеры различного возраста: молодые, с резкими очертаниями вала, и древние, полуразрушенные. Характерным отличием кратеров Меркурия от лунных является меньшая протяженность систем лучей, области вторичных и радиальных выбросов, что объясняется вдвое большей силой тяжести на Меркурии по сравнению с Луной. На Меркурии имеются двойные и паразитные кратеры (так называют небольшие кратеры, расположенные на валу или внутри крупных кратеров), долины типа Альпийской на Луне, а также темные гладкие бассейны, подобные лунным «морям». Однако занятая ими площадь гораздо меньше, чем на Луне, а диаметр наибольшего бассейна Калорис 1300 км против 1800 км у Океана Бурь на Луне.
Подсчеты кратеров в области Калорис показали, что ее возраст не менее 4 млрд. лет. Еще древнее возвышенности Меркурия, но и там число малых кратеров отклоняется от закона N~D-2, как на Марсе, что можно объяснить их разрушением за счет размягчения поверхности в период ее интенсивной бомбардировки.
Радиолокационные изображения поверхности Венеры, и станциями «Венера-15, -16», а также американским аппаратом «Пионер—Венера», позволили выявить на этой планете как вулканические образования, так и ударные кратеры размерами от 4—5 до 130 км. По плотности кратеров возраст поверхности Венеры составляет от 500 млн. до 1 млрд. лет, но это возраст преобладающих вулканических равнин. Более древние кратеры на Венере, по-видимому, уничтожены тектоническими процессами либо в ходе интенсивной бомбардировки, либо после ее завершения. Как и на Земле, активные вулканотектонические процессы на Венере продолжаются и в нашу эпоху.
Обширные сведения были получены за последние годы о поверхностях спутников Юпитера и Сатурна, благодаря передаче их изображений американскими космическими аппаратами «Пионер-10, -11» и «Вояджер-1, -2». Четыре галилеевых спутника Юпитера оказались совершенно разными. На ближайшем к Юпитеру спутнике Ио обнаружено, как мы уже говорили, восемь действующих вулканов, а на поверхности — оранжевые отложения продуктов вулканических извержений. Поверхность Ио очень молодая (несколько миллионов лет), и поэтому ударных кратеров на ней очень мало. Поверхность следующего спутника — Европы — покрыта толстой ледяной корой и испещрена длинными трещинами. Кратеров на ней практически нет. Зато Ганимед и Каллисто покрыты многочисленными кратерами, причем на Каллисто их гораздо больше, чем на Ганимеде. Поверхность Каллисто весьма древняя и может вполне сравниться по степени насыщения кратерами с Луной и Меркурием (см. фото). Очевидно, что тектоническая активность на Каллисто в течение последних 3 млрд. лет была весьма слабой. Напротив, Ганимед несет следы активной тектонической деятельности, в частности крупных разломов коры. Поэтому его поверхность значительно моложе, чем у Каллисто, хотя встречаются участки более древней коры, гуще покрытые ударными кратерами, чем остальные.
Причины различий в структуре поверхностей четырех галилеевых спутников Юпитера еще не вполне ясны. Сделано несколько попыток их объяснения, которые мы здесь обсуждать не будем.
Густо покрыта кратерами поверхность спутника Сатурна Мимаса (диаметр 390 км), причем крупнейший из них имеет диаметр 130 км. Столь же обильны кратеры на Дионе (диаметр 1120 км), некоторые из них имеют системы светлых лучей, как на Луне. На Рее (диаметр 1530 км) плотность кратеров такая же, как на Луне и Меркурии, а диаметр крупнейшего из них достигает 300 км. Еще больший кратер (400 км) обнаружен на поверхности Тефии (диаметр спутника 1050 км). На поверхности Энцелада (диаметр 510 км) заметны следы сравнительно недавних течений в коре, разрушивших древний рельеф. Удалось выявить не менее пяти этапов геологической эволюции Энцелада. Районы, лишенные кратеров, имеют возраст менее 10 млн. лет, поэтому не исключено, что недра Энцелада активны и сейчас.
Этих примеров достаточно, чтобы показать, как изучение кратерных структур на планетах и их спутниках помогает выяснить пути эволюции их рельефа под действием как внутренних, так и внешних сил.
Новые открытия на Земле
А как же Земля? Неужели тектоника, вода и ветер полностью стерли с лица Земли гигантские ударные кратеры, которые ну просто не могли на ней не образоваться; ведь Земля — куда более удобная мишень для встречных астероидов, ядер комет и метеоритов, чем, скажем, Луна. Большая масса, а значит, и сила притяжения Земли разгоняют эти тела до больших скоростей, чем притяжение Луны. Кроме того, у Земли больше радиус захвата — на нее упадут не только те тела, которые летят прямо на Землю, но и часть тех, которые пролетели бы мимо, если бы Земля их не притягивала. Нет, метеоритные кратеры должны существовать на Земле в гораздо больших количествах, чем было известно, и они должны иметь существенно большие размеры. Еще в конце 30-х годов английские геологи Дж. Бун и К. Олбриттон пытались доказать метеоритное происхождение ряда структур, считавшихся тогда криптовулканическими (криптовулканическими называют почти круговые, сложные куполообразные структуры, характеризующиеся сильными деформациями с дроблением пород. Многие специалисты считают, что они не связаны с проявлениями вулканизма). Но в то время еще было трудно доказать их ударное происхождение.
В 1950 г. канадский геолог В. Мин, обследовав круглое озеро Нью-Квебек, установил по ряду признаков, что это крупный метеоритный кратер диаметром 3,4 км. До этого самым большим метеоритным кратером на Земле считался Аризонский, диаметр которого был втрое меньше.
В 1951 г. в Канаде был открыт кратер Брент (3,5 км). Это заставило канадских ученых предпринять систематические поиски структур, которые могут быть метеоритными кратерами. Их выявление производилось по аэрофотоснимкам, причем первыми признаками метеоритной природы считались круговая форма, наличие вала, центральная депрессия. Более определенные критерии были связаны с наличием под дном кратера брекчий (мелкораздробленных осколков пород) и следов ударного метаморфизма: импактитов, плотных модификаций пород — коэсита и стишовита, наконец, конусов разрушения.
Что представляют собой эти образования? Термином импактит (от англ. impact — удар) обозначают горные породы, непосредственно связанные с ударными кратерами и претерпевшие изменения при ударе. Сюда относятся брекчии разных типов, породы, испытавшие плавление, и другие.
Конусы разрушения (см. фото) образуются при взаимодействии ударной волны, идущей от центра взрыва, с границами пластов пород, которые дробятся на конусообразные фрагменты с поверхностями, покрытыми ветвящимися бороздами. Если конусы разрушения не перемещены взрывной волной, они всегда направлены вершиной к центру взрыва. Образуются они при давлениях 20— 100 кбар.
Коэсит и стишовит — это модификации кремнезема, образующиеся при высоких давлениях. У них иная кристаллическая структура и более высокая плотность, чем у обыкновенного кварца. В частности, более плотный стишовит обнаруживается только в метеоритных кратерах, в них он и был впервые открыт. Коэсит образуется при давлениях, превышающих 30—40 кбар, стишовит — 100 кбар.
Реже встречаются высокобарные модификации углерода — алмаз и лонсдейлит. Они обнаружены пока только в двух метеоритных кратерах. (Вспомним, что и в Тунгусской тайге были обнаружены алмазно-графитовые сростки.) Для их образования нужны давления в 500— 700 кбар.
В результате тщательных поисков на территории Канады были обнаружены 24 структуры несомненно ударного происхождения. Среди них были кратеры Клируотер (32 и 20 км), Кутюр (12 км), Дип Бэй (13,5 км), Холлефорд (2,5 км), Кили (13 км) и другие (рис. 40). Этой работой руководили М. Денс, К. Биле и другие ученые.
Рис. 40. Контуры некоторых канадских метеоритных кратеров (по К. Билсу и М. Денсу)
Поисками метеоритных кратеров занялись и в других странах, что привело к открытию метеоритных структур Нордлингер Рис (ФРГ, 21х24 км), Босумтви (Гана, 10 км), Уэллс Крик (США, 10 км), Госсес Блаф (Австралия, 22 км), Деллен (Швеция, 12 км), Лаппаярви (Финляндия, 10 км) и других. На территории ЮАР был обнаружен гигантский кратер Вредефорт диаметром 100 км, имеющий надежно установленный возраст в 2 млрд. лет. Начиная с 70-х годов крупные кольцевые структуры были, обнаружены и на территории нашей страны. Большая заслуга в открытии и изучении астроблем (слово астроблема означает «звездная рана». Это название все шире применяется к структурам ударного (космического) происхождения) в СССР принадлежит ленинградскому геологу В. Л. Масайтису. Он доказал, что гигантская (100-километровая) котловина в районе течения р. Попигай на Таймыре представляет собой метеоритный кратер. Его возраст 180 млн. лет. Вслед за Попигайским кратером были открыты и исследованы астроблемы: Болтышская (24 км), Каменская (25 км), Карская (50 км), Пучеж-Катункская (80 км), Янисъярви (13х17 км), Эльгыгытгын (18 км). Выяснилось, что город Калуга расположен в гигантском метеоритном кратере диаметром 15 км, образовавшемся около 400 млн. лет назад.
Очень интересным оказался метеоритный кратер Жаманшин (диаметр 5 км) в Казахстане, изученный геологом П. В. Флоренским. Вблизи этого кратера впервые на территории СССР были найдены тектиты — черные оплавленные стекла, происхождение которых несомненно связано с падениями крупных метеоритов. До этого тектиты находили только на территории Чехословакии, в Индокитае, в Южной Африке и в Австралии.
Исследование крупных астроблем на территории нашей страны привлекло большую группу исследователей. Свой вклад в их изучение внесли геологи Б. С. Зейлик, А. А. Вальтер, Е. П. Гуров, А. О. Аалоэ, геофизики А. И. Дабижа, М. С. Красе и другие.
Таким образом, на Земле оказалось много крупных кольцевых структур, несомненно имеющих ударное происхождение. Их количество пока составляет 230, но каждый год приносит новые открытия. Эти структуры в буквальном смысле слова лежали у нас под ногами, но мы долго не могли этого понять.
Земля как космическая мишень приняла свою долю ударов небесных странников: метеоритов, астероидов, ядер комет. В этом отношении она ничем не отличается от других планет и их спутников. Но, конечно, тектонические процессы, водная и ветровая эрозия сделали свое дело, и многие астроблемы не сохранились.
От гигантских «морей» к микрократерам
Мы уже говорили, что распределение кратеров по размерам на густо усеянных этими структурами поверхностях тел Солнечной системы следует степенной зависимости вида N~D-2. Этот факт сам по себе доказывал метеоритное происхождение кратеров, поскольку распределение метеорных тел по размерам подчиняется той же закономерности. Правда, энергия удара тела зависит не только от его массы, но и от скорости, будучи пропорциональна ее квадрату. Однако скорости удара заключены в сравнительно узких пределах (11—73 км/с), а если учесть, что все астероиды и метеориты имеют в Солнечной системе прямое движение, то этот диапазон еще более сокращается. Разброс же по массе громаден: от триллионов тонн до миллиграммов и их долей. В 1949 г. американский исследователь Р. Болдуин построил интересную диаграмму, на которой представил структурные особенности лунных кратеров и заведомо взрывных структур: воронок от бомб, снарядов и крупных наземных взрывов. По вертикальной оси он отложил (в логарифмическом масштабе) диаметр кратера или воронки, по горизонтальной — их глубину. Все воронки от взрывов, земные метеоритные кратеры (их тогда было известно немного) и лунные кратеры легли на одну плавную кривую (рис. 41). Это было веским доводом в пользу метеоритного происхождения лунных кратеров.
Рис. 41. Кривая Болдуина для взрывных кратеров и воронок. 1 — вулканические кальдеры по данным автора; 2—земные метеоритные кратеры
Еще в 1892 г. Г. Джильберт полагал, что не только кратеры, но и округлые лунные «моря» образовались в результате ударов тел астероидальных размеров. Джильберт обратил внимание на систему радиальных разломов, расходящихся от Моря Дождей. Эта идея была в 50-е годы разработана видным американским космогонистом лауреатом Нобелевской премии Г. Юри. В 1960 г. К. П. Станюкович и автор этой книги предложили свой вариант образования «морей»: после удара крупного тела о поверхность Луны в глубинных частях лунной коры под местом удара происходит откол большого фрагмента коры и расплавленная магма из недр получает выход на поверхность. Происходит лавовое излияние, и образуется «море». По мнению ряда ученых, выход лавы на поверхность Луны мог произойти не сразу после удара, а значительно позже, через много миллионов лет. После фотографирования обратной стороны Луны советскими лунными станциями были открыты гигантские кольцевые структуры: Море Восточное, окруженное несколькими концентрическими валами (внешний диаметр 500 км), кратер Королев (диаметр 300 км), Море Москвы и другие. На Меркурии были открыты бассейны типа Калорис. Создалось общее мнение, что эти, хотя и немногочисленные, образования тоже последствия бомбардировки Луны и Меркурия космическими «снарядами».
Благодаря доставке образцов лунных пород (в том числе и с поверхности «морей») на Землю американскими астронавтами и советскими лунными станциями «Луна-16, -20, -24» оказалось возможным точно датировать эпоху формирования лунных «морей». Это был период от 4,25 до 3,85 млрд. лет назад. Именно тогда образовались бассейны типа Моря Дождей на Луне, а также, по-видимому, Калорис на Меркурии, Эллада на Марсе и другие. После этого, 3,85 млрд. лет назад, бомбардировка Луны прекратилась и начался период интенсивного вулканизма, продолжавшийся на Луне и Меркурии около 1 млрд. лет.
Почему же так внезапно прекратилась бомбардировка Луны? Видимо, был исчерпан запас «снарядов». Что же это были за «снаряды»? Ответ на этот вопрос дают космогонические теории академика О. Ю. Шмидта и Г. Юри. Согласно взглядам этих ученых, планеты Солнечной системы образовались в результате объединения протопланетных тел меньшего размера, которые, в свою очередь, должны были образоваться в ходе слипания частиц пыли из околопланетного газово-пылевого облака. Возраст планет Солнечной системы теперь определяется однозначно путем анализа содержания радиоактивных изотопов и продуктов их распада в древнейших земных и лунных породах, а также в метеоритах,— это 4,6 млрд. лет назад. Значит, вскоре после формирования древнейших частей лунной поверхности последовала интенсивная бомбардировка Луны оставшимися плапетезималями. Это были как раз тела астероидальных размеров — километры и десятки километров. Они двигались по слабо вытянутым орбитам прямым движением и время от времени падали на Луну, на Землю, на Марс, Венеру, Меркурий, на спутники Юпитера и Сатурна (читателя не должно удивлять, что мы здесь не упоминаем самые планеты-гиганты. Ведь у них пет твердых поверхностей и кратеры на них образоваться не могли), образуя кратеры и «моря». Но за 400 млн. лет запас планетезималей был исчерпан, массовая бомбардировка прекратилась, остались лишь пояс астероидов и система комет, которые время от времени продолжали наносить удары по поверхностям планет и их спутников. Впрочем, не подлежит сомнению, что и поверхности самих астероидов усеяны кратерами в не меньшей степени, чем, например, Фобос и Деймос.
Полеты к Луне американских космических зондов «Рейнджер», начиная с 1964 г. показали, что поверхность Луны покрыта множеством мелких кратеров. До этого мы могли видеть в телескопы на Луне кратеры не менее 1 км в диаметре. Снимки «Рейнджеров» понизили этот предел в сторону меньших размеров — до 1 м. А на доставленных с Луны образцах лунных пород, а также на специально выставлявшихся там на некоторое время пластинках были обнаружены мельчайшие кратеры, размерами уже в несколько микрометров. Такие же кратеры обнаруживаются на специальных пластинках-датчиках, помещаемых на спутниках и орбитальных станциях.
Нанесение малых кратеров на Луне на диаграмму Болдуина показало, что они хорошо ложатся на продолжение в сторону малых размеров кривой, построенной для больших кратеров. Подтвердилась и степенная функция распределения кратеров по размерам. Стало ясно, что все они — результаты ударов метеороидов.
