Гравитация соседней Земли могла помогать Луне удерживать внутреннее тепло. Миллиарды лет назад спутник располагался гораздо ближе к нашей планете, а его орбита была более вытянутой. Из-за этого земное притяжение время от времени деформировало лунные недра, создавая дополнительный источник энергии. Новая компьютерная модель продемонстрировала, что тепло способно было концентрироваться в двух областях на границе ядра и мантии и поддерживать геологическую активность спутника. О том, каким образом Земля могла влиять на вулканическую историю Луны, — в материале «Известий».
Почему на Луне возникли вулканические породыЛуна сформировалась около 4,5 млрд лет назад, вероятно, после столкновения молодой Земли с крупным небесным телом — протопланетой Тейей. В результате удара в космос выбросило огромный объем вещества, из которого позже образовался спутник. Из-за относительно небольших размеров Луна должна была достаточно быстро остыть и постепенно утратить внутреннюю геологическую активность.
Однако доставленные на Землю китайской миссией «Чанъэ-5» образцы лунного грунта поставили перед исследователями вопрос: часть базальтов из района Океана Бурь сформировалась примерно 2 млрд лет назад. Это значит, что в то время внутри спутника еще сохранялись условия для плавления пород и выхода магмы на поверхность.
Одним из вероятных источников тепла считается радиоактивный распад элементов, находящихся в лунных недрах. Но, по оценкам ученых, к тому моменту его уже не хватало для объяснения поздней вулканической активности. Падения крупных астероидов тоже не давали полного объяснения: этап интенсивной бомбардировки Луны завершился задолго до формирования этих пород.
Команда исследователей под руководством Мяо Чэня из Чэндуского технологического университета предложила иной механизм — приливный разогрев, который вызывается гравитацией Земли. Итоги работы опубликованы в журнале Planet. Специалисты создали модель внутреннего строения Луны и рассчитали, каким образом воздействие нашей планеты могло распределять тепло в ее мантии.
Как земное притяжение разогревало лунные недраПриливный разогрев появляется, когда гравитация большого небесного тела растягивает и сжимает другой объект. При вытянутой орбите сила воздействия время от времени меняется: спутник подвергается деформациям, а часть механической энергии переходит в тепло. Такой процесс особенно выражен на спутнике Юпитера Ио, где приливные силы обеспечивают интенсивную вулканическую активность.
В ранней истории системы Земля — Луна условия для подобного разогрева были намного более заметными, чем сегодня. По расчетам, использованным авторами, примерно 3,2 млрд лет назад дистанция между планетой и ее спутником равнялась около 70% современной, а лунный орбитальный период составлял около 16 земных суток. Кроме того, орбита Луны была более вытянутой, поэтому гравитационное влияние Земли сильнее изменялось во время движения спутника.
В прежних моделях приливного нагрева внутреннее строение Луны часто упрощали, считая ее почти однородным телом. Создатели новой работы приняли во внимание, что вязкость вещества в различных частях мантии различается. Ключевую роль играла область с крайне низкой вязкостью на границе ядра и мантии: по расчетам, именно она могла усиливать рассеивание энергии и формировать зоны местного нагрева.
Для отслеживания того, как приливные силы действовали на внутренние слои спутника и как выделенная энергия влияла на движение вещества в мантии, ученые применили трехмерное моделирование. Этот подход дал возможность оценить не только общий эффект гравитации Земли, но и распределение тепла в отдельных областях лунных недр.
Где внутри Луны концентрировалось теплоМоделирование показало две симметричные зоны усиленного приливного нагрева на границе ядра и мантии. Исследователи назвали их зонами аномального приливного нагрева — THAZ. Хотя вместе они занимали лишь около 2,5% объема мантии, на них приходилась существенная доля выделявшейся энергии.
Согласно расчетам ученых, примерно 3,2 млрд лет назад мощность нагрева в этих областях могла составлять 150 ГВт. Ради сравнения: мощность местного нагрева от радиоактивного распада в той же зоне оценивалась приблизительно в 34,9 ГВт. Следовательно, приливное воздействие могло оказаться там более сильным источником тепла, чем радиоактивные процессы.
Нагрев, в свою очередь, был способен поддерживать восходящие потоки вещества — мантийные плюмы. Они переносили энергию из глубинных слоев к верхней части мантии и содействовали частичному плавлению пород. По предположению авторов, этот процесс помогал перемещать богатые титаном материалы, сформировавшиеся на ранних этапах охлаждения лунного магматического океана. Их плавление могло участвовать в образовании древних базальтовых пород.
Модель также дает объяснение тому, почему лунное магнитное поле существовало долго. Дополнительный нагрев у границы ядра и мантии мог замедлять остывание ядра и поддерживать процессы, нужные для работы древнего лунного динамо. По мнению авторов, такой механизм согласуется с данными о наличии магнитного поля у Луны на протяжении более 500 млн лет.
Что новая модель объясняет в истории ЛуныПо мнению исследователей, приливный нагрев мог сказаться на образовании и древних, и относительно молодых лунных базальтов. В частности, модель увязывает движение вещества в мантии с формированием богатых титаном пород возрастом около 3,7 млрд лет, образцы которых на Землю доставили экспедиции «Аполлон-11» и «Аполлон-17».
Отдельно авторы изучили базальты возрастом около 2 млрд лет, найденные миссией «Чанъэ-5». По предложенному объяснению, интенсивный нагрев в более ранний период мог помогать перемещению части мантийного вещества ближе к поверхности. Некоторые его запасы там сохранились и позже стали источником магмы, хотя приливное воздействие Земли к тому времени уже заметно ослабло.
По мере того как Луна удалялась от Земли, гравитационные силы, вызывавшие приливный разогрев, слабели. В модели это объясняет постепенное затухание соответствующих процессов и завершение масштабной вулканической активности, связанной с перемещением глубинных материалов. При этом авторы подчеркивают, что распределение вулканических пород на поверхности спутника зависело не только от процессов в мантии, но и от особенностей лунной коры.
У исследования есть ограничения: авторы применяли упрощенную схему взаимодействия приливного нагрева и движения вещества в мантии. В частности, модель не полностью учитывает охлаждение, связанное с плавлением пород и перемещением магмы. Поэтому предложенный механизм пока остается теоретическим объяснением, которое нужно проверить с помощью новых расчетов, геофизических наблюдений и анализа лунных образцов.