Исследовательская, творческая работа по физике «Теории возникновения лунных кратеров»


Авторы исследований: Куликов Евгений, Сенютин Никита, Сверчков Сергей, учащиеся МОУ СОШ № 12 г. Данилова Ярославской обл.
Научный руководитель Мельникова М.Ю., учитель физики
Исследовательская работа.
Теории возникновения лунных кратеров.
Известно, что Знайка побывал на Луне вместе с жительницами Солнечного города, учеными малышками Фуксией и Селедочкой. Чтобы объяснить суть Знайкиной теории, приведем отрывок произведения Н. Н. Носова «Незнайка на Луне».
Вернувшись в Цветочный город, Знайка много рассказывал о своем путешествии. Его рассказы очень заинтересовали всех, и особенно астронома Стекляшкина, который не раз наблюдал Луну в телескоп. В свой телескоп Стекляшкин сумел разглядеть, что поверхность Луны не ровная, а гористая, причем многие горы на Луне не такие, как у нас на Земле, а почему-то круглые, вернее сказать - кольцеобразные. Эти кольцевые горы ученые называют лунными кратерами, или цирками. Чтобы понять, как выглядит такой лунный цирк, или кратер, вообразите себе огромное круглое поле, в поперечнике километров двадцать, тридцать, пятьдесят или даже сто, и представьте, что это огромное круглое поле окружено земляным валом или горой высотой всего в два или трикилометра, вот и получится лунный цирк, или кратер. Таких кратеров на Луне тысячи. Есть маленькие - километра в два, но есть и гигантские - до ста сорока километров в диаметре.
Многих ученых интересует вопрос, как образовались лунные кратеры, от чего они произошли. В Солнечном городе все астрономы даже поссорились между собой, стараясь разрешить этот сложный вопрос, и разделились на две половины. Одна половина утверждает, что лунные кратеры произошли от вулканов, другая половина говорит, что лунные кратеры - это следы от падения крупных метеоритов. Первую половину астрономов называют поэтому последователями вулканической теории или попросту вулканистами, а вторую - последователями метеоритной теории или
метеоритчиками.
Знайка, однако ж, не был согласен ни с вулканической, ни с метеоритной теорией. Еще до путешествия на Луну он создал свою собственную теорию происхождения лунных кратеров. Однажды он вместе со Стекляшкиным наблюдал Луну в телескоп, и ему
бросилось в глаза, что лунная поверхность очень похожа на поверхность хорошо пропеченного блина с его ноздреватыми дырками. После этого Знайка часто ходил на кухню и наблюдал, как пекутся блины. Он заметил, что пока блин жидкий, его
поверхность совершенно гладкая, но по мере того как он подогревается на сковородке, на его поверхности начинают появляться пузырьки нагретого пара. Проступив на поверхность блина, пузырьки лопаются, в результате чего на блине образуются неглубокие дырки, которые так и остаются, когда тесто как следует пропечется и потеряет вязкость.
Знайка даже сочинил книжку, в которой писал, что поверхность Луны не всегда была твердая и холодная, как теперь. Когда-то давно Луна представляла собой огненно-жидкий, то есть раскаленный до расплавленного состояния, шар. Постепенно,
однако, поверхность Луны остывала и становилась уже не жидкая, а вязкая, словно тесто. Изнутри она была все ж таки еще очень горячая, поэтому раскаленные газы вырывались на поверхность в виде громаднейших пузырей. Выйдя на поверхность Луны, пузыри эти, конечно, лопались. Но пока поверхность Луны была еще
достаточно жидкая, следы от лопнувших пузырей затягивались и исчезали, не оставляя следа, как не оставляют следа пузыри на воде во время дождя. Но когда поверхность Луны остыла настолько, что стала густая как тесто или как расплавленное стекло, следы от лопнувших пузырей уже не пропадали, а оставались в виде торчащих над поверхностью колец. Охлаждаясь все больше, кольца эти окончательно отвердевали. Сначала они были ровные, словно застывшие круги на воде, а потом постепенно разрушались и, в конце концов, стали похожи на те лунные кольцевые горы, или кратеры, которые каждый может наблюдать в телескоп.
Все астрономы - и вулканисты, и метеоритчики - смеялись над этой Знайкиной теорией.
Вулканисты говорили:
- Для чего понадобилась еще эта блинистая теория, если и без того ясно, что лунные кратеры - это просто вулканы?
Знайка отвечал, что вулкан - это очень большая гора, на верхушке которой имеется сравнительно небольшой кратер, то есть отверстие. Если бы хоть один лунный кратер был кратером вулкана, то сам вулкан был бы величиной чуть ли не во всю Луну,
а этого вовсе не наблюдается.
Метеоритчики говорили:
- Конечно, лунные кратеры - не вулканы, но они так же и не блины. Всем известно, что это следы от ударов метеоритов.
На это Знайка отвечал, что метеориты могли падать на Луну не только отвесно, но и под наклоном и в таком случае оставляли бы следы не круглые, а вытянутые, продолговатые или овальные.Между тем на Луне все кратеры в основном круглые, а не овальные.
Однако и вулканисты и метеоритчики настолько привыкли к своим излюбленным теориям, что даже слушать не хотели Знайку и презрительно называли его блинистом. Они говорили, что вообще смешно даже сравнивать Луну, которая является крупным космическим телом, с каким-то несчастным блином из прокисшего теста.
Впрочем, Знайка и сам отказался от своей блинной теории после того, как лично побывал на Луне и видел вблизи один из лунных кратеров. Ему удалось рассмотреть, что кольцевая гора была совсем не гора, а остатки разрушившейся от времени гигантской кирпичной стены. Хотя кирпичи в этой стене выветрились и потеряли свою первоначальную четырехугольную форму, все-таки можно было понять, что это именно кирпичи, а не просто куски обыкновенной горной породы. Особенно хорошо это
было видно в тех местах, где стена сравнительно недавно обрушилась и отдельные кирпичи еще не успели рассыпаться в прах.
Поразмыслив, Знайка понял, что эти стены могли быть сделаны лишь какими-то разумными существами, и, когда вернулся из своего путешествия, опубликовал книжку, в которой писал, что когда-то давно на Луне жили разумные существа, так называемые лунные коротышки, или лунатики. В те времена на Луне, как и теперь на Земле, был воздух. Поэтому лунатики жили на поверхности Луны, как и мы все живем на поверхности нашей планеты Земли. Однако с течением времени на Луне становилось все меньше воздуха, который постепенно улетал в окружающее
мировое пространство. Чтобы не погибнуть без воздуха, лунатики окружали свои города толстыми кирпичными стенами, над которыми возводили огромные стеклянные купола. Из-под этих куполов воздух уже не мог улетучиваться, поэтому можно было дышать и ничего не бояться.

Итак, из Знайкиных теорий мы выделим блинную и проанализируем ее.
На наш взгляд, теория возникновения кратеров, предложенная Знайкой, интересна. В какой то мере она даже привлекательна для ученых. Скопления газа внутри расплавленной массы при выходе на поверхность образуют в более холодной наружной вязкой среде дырки круглой формы. А лунные кратеры имеют достаточно округлую форму. Почему они не глубоки? Тут у Знайки готово объяснение: пока поверхность Луны была еще достаточно жидкая, следы от лопнувших пузырей затягивались и исчезали. Когда поверхность Луны остыла настолько, что стала густая как тесто или как расплавленное стекло, следы от лопнувших пузырей уже не пропадали, а оставались в виде торчащих над поверхностью колец. Охлаждаясь все больше, кольца эти окончательно отвердевали. Сначала они были ровные, словно застывшие круги на воде, а потом постепенно разрушались и, в конце концов, стали похожи на лунные кольцевые горы или кратеры.

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Посмотрите на эту картинку: правда, похоже на блин с дырочками?
Но, с другой стороны, задумавшись, мы пришли к такому выводу: в блине происходят извержения жидкого теста с последующими следами кратеров. Таким образом, Знайка укрепил (и весьма остроумно!) позиции сторонников вулканизма, но своей теории он всё же не создал. Аргумент Знайки, что вулканы должны быть очень высокими горами, не выдерживает никакой критики:  1. Горы со временем осыпаются.  2. Всё в этом мире относительно. Если с Луны посмотреть на Везувий в телескоп, он тоже может показаться следом на блине.
Кстати, удивительно, как Николай Николаевич Носов искусно ввел в детскую сказку действительно существующие споры о происхождении кратеров на Луне. Первой появилась вулканическая теория, которую выдвинул в 80-х гг. XVIII в. немецкий астроном Иоганн Шретер, кратеры возникли в результате грандиозных извержений на поверхности Луны. В1824 г. его соотечественник Франц фон Груйтуйзен предложил метеоритную теорию, объяснявшую образование кратеров падением метеоритов. Лишь через 113 лет, в1937 г., российский студент Кирилл Станюкович (будущий доктор наук и профессор) доказал, что при ударах метеоритов с космическими скоростями происходит взрыв, в результате которого расплавляется не только метеорит, но и часть пород в месте удара. Взрывная теория Станюковича разрабатывалась в 1947-1960 гг. им самим, а потом другими исследователями.
Все-таки, ознакомившись с историей вопроса, наиболее достоверной мы считаем метеоритную теорию возникновения лунных кратеров. Средняя скорость, с которой метеориты врезаются в поверхность Луны и Земли составляет около 20 км/с, а максимальная  около 70 км/с. Их кинетическая энергия превышает энергию, выделяющуюся при детонации обычной взрывчатки той же массы. Энергия, выделяющаяся при падении метеорита массой свыше 1 тыс. тонн, сравнима с энергией ядерного взрыва. Метеориты такой массы падают на Землю довольно редко.
При встрече метеорита с твердой поверхностью его движение резко замедляется, а вот породы мишени (места, куда он упал), наоборот, начинают ускоренное движение под воздействием ударной волны. Она расходится во все стороны от точки соприкосновения: охватывает полусферическую область под поверхностью планеты, а также движется в обратную сторону по самому метеориту (ударнику). Достигнув его тыльной поверхности, волна отражается и бежит обратно. Растяжения и сжатия при таком двойном пробеге обычно полностью разрушают метеорит. Ударная волна создает колоссальнейшее давление  свыше 5 миллионов атмосфер. Под ее воздействием горные породы мишени и ударника сильно сжимаются, что приводит к взрывному росту температуры и давления, в результате чего в окрестностях соударения горные породы нагреваются и частично плавятся, а в самом центре, где температура достигает 15 000 °C,  даже испаряются. В этот расплав попадают и твердые обломки метеорита. В результате после остывания и затвердевания на днище кратера образуется слой импактита (от английского impact  удар)  горной породы с весьма необычными геохимическими свойствами. В частности, она весьма сильно обогащена крайне редкими на Земле, но более характерными для метеоритов химическими элементами  иридием, осмием, платиной, палладием.
При мгновенном испарении части вещества происходит образование плазмы, что приводит к взрыву, при котором породы мишени разлетаются во все стороны, а дно вдавливается. На дне кратера возникает круглая впадина с довольно крутыми бортами, но существует она какие-то доли секунды  затем борта немедленно начинают обрушиваться и оползать. Сверху на эту массу грунта выпадает и каменный град из вещества, выброшенного вертикально вверх и теперь возвращающегося на место, но уже в раздробленном виде. Так на дне кратера образуется слой обломков горных пород, сцементированных тем же материалом, но измельчённым до песчинок и пылинок. Столкновение, сжатие пород и проход взрывной волны длятся десятые доли секунды. Формирование выемки кратера занимает на порядок больше времени. А ещё через несколько минут ударный расплав, скрытый под слоем обломков горных пород, остывает и начинает быстро затвердевать. На этом формирование кратера заканчивается.
При сильных столкновениях твёрдые породы ведут себя подобно жидкости. В них возникают сложные волновые гидродинамические процессы, один из характерных следов которых  центральные горки в крупных кратерах. Процесс их образования подобен появлению капли отдачи при падении в воду небольшого предмета. При крупных столкновениях сила взрыва столь велика, что выброшенный из кратера материал может даже улететь в космос. Именно так на Землю попали метеориты с Луны и с Марса, десятки которых обнаружены за последние годы.
Почему же Луна подвергалась и подвергается метеоритным и астероидным бомбардировкам, а на Земле эти падения редки? Нас спасает плотная атмосфера. К нашему счастью, многие метеориты сгорают в атмосфере, не долетая до поверхности Земли. Лишь наиболее крупные, которые назвать метеоритами уже нельзя, это, пожалуй, кометы или астероиды, долетают до Земли и вызывают подобные взрывы и изменения в рельефе нашей планеты. Пример тому, Тунгусский метеорит. 30 июня 1908 года в 7 часов утра по местному времени в бассейне р. Подкаменная Тунгуска (ныне Эвенкийский национальный округ Красноярского края РСФСР) произошло явление, сопровождающее падение метеорита, но отличающееся огромными масштабами.
В течение нескольких секунд наблюдался ослепительный яркий болид, перемещавшийся по небу с юго-востока на северо-запад. На пути движения болида, который был виден на огромной территории Восточной Сибири (в радиусе до 800 км), остался мощный пылевой след, сохранявшийся в течение нескольких часов. После световых явлений был слышен взрыв на расстоянии свыше 1000 км. Во многих селениях ощущалось сотрясение почвы и построек, подобное землетрясению, раскалывались оконные стекла, с полок падала домашняя утварь, качались висячие предметы и т.д. Многие люди, а также различные домашние животные воздушной волной были свалены с ног. Сейсмографы в Иркутске и в ряде мест Западной Европы зарегистрировали сейсмическую волну. Воздушная взрывная волна была зафиксирована на барограммах, полученных на многих сибирских метеорологических станциях, в Петербурге и ряде метеорологических станций в Великобритании.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
На месте падения был обнаружен радиальный вывал леса вокруг эпицентра в радиусе до 1530 км; здесь же на уцелевших деревьях позднейшими экспедициями замечены следы своеобразного ожога. В центральной части этой области были обнаружены круглые ямы, заполненные водой и ошибочно принятые сначала за метеоритные воронки. Впоследствии было установлено, что это естественные образования, происхождение которых связано с вечной мерзлотой. По последним представлениям ученых Тунгусское тело было весьма рыхлым и не более чем в 10 раз превышало плотность воздуха у поверхности Земли. Оно представляло собой рыхлый ком снега радиусом 300 м и плотностью менее 0,01 г/см3.  На высоте около 10 км всё тело превратилось в газ, рассеявшийся в атмосфере. Упавшая на землю ударная волна вызвала вывал леса.
Так что Луна испещрена кратерами большими и маленькими, и, скорее всего, это следы падения, множества больших и маленьких метеоритов.
Также у нас есть еще несколько версий появления лунных кратеров:
Луна – НЛО, который обстреливали неприятельские НЛО и кратеры, стало быть, это воронки от метких попаданий инопланетных снарядов, ведь если посмотреть на поле боя с высоты птичьего полета, то его можно сравнить с лунным рельефом.
Луна была базой, где совершали посадку летательные аппараты. Когда мы говорим НЛО, то представляем себе объект в форме тарелки, а тарелки, как известно, имеют круглую форму. Тогда кратеры – это следы круглых днищ космических кораблей. Почему сейчас не наблюдается прилунения космических кораблей? По одной из версий образования нашего естественного спутника Луна была захвачена Землей во времена Всемирного потопа, а до него у Земли естественного спутника не было. Возможно, Луна прилетела из более оживленных участков Галактики, где есть разнообразные формы жизни и выполняются частые космические полеты с разумными существами на борту.
Чрезвычайно крупный объект некогда поразил невидимую сторону Луны и смог послать ударную волну даже сквозь лунное ядро к той стороне Луны, что обращена к Земле. Лунная кора там местами "отшелушилась" и "полопалась" - и вот теперь Луна имеет характерные шрамы от того давнего катаклизма.
Ещё мы предложим теорию, примиряющую «метеористов» и «вулканистов». Когда- то наша Луна была еще геологически активна - ее ядро и мантия тогда были жидкими и заполненными текущей магмой. Луна в те времена располагалась гораздо ближе к Земле, чем сейчас (позднее она постепенно удалилась вследствие приливно-отливных взаимовлияний), так что гравитационные взаимодействия между этими небесными телами были особенно сильны. Когда магма была высвобождена из глубин Луны соударениями с астероидами и создала своеобразный обширный "холм", то земная гравитация как бы "подхватила" его и уже не выпустила из своих объятий до тех пор, пока все там не затвердело. Приведем пример с Землей. "Горячие точки" на Земле, как известно, провоцируют появление вулканов, которые, в частности, образуют цепь Гавайских островов, которые отделяет от мантии довольно тонкий слой земной коры. Возможно, подобные древние соударения астероидов с Землей, "всколыхнув" ее ядро направленными ударными волнами, образовали те самые горячие точки, что наблюдаются ныне. Подобным образом горячая магма подходила близко и к лунной коре, образуя при этом «горячую точку». Странноватые темные долины-"моря" на видимой с Земли лунной стороне объясняются вытекшей на поверхность, да так навсегда и застывшей магмой – замороженный океан магмы. Ученые предполагают, что мощнейшие катаклизмы спровоцировали появление геологической "горячей точки" - концентрации магматических пузырей у поверхности. Спустя какое-то время часть содержащейся там под давлением магмы смогла просочиться сквозь трещины в коре и затопить низины на лунной поверхности.
Кстати, по сказке Н.Н. Носова Знайка поменял свою блинную теорию. Потом он утверждал, что стенки лунных кратеров – это следы жизнедеятельности лунных жителей, которые вынуждены были перебраться внутрь Луны из-за недостатка воздуха. Они, по предположениям Знайки, перед тем как уйти внутрь Луны создавали округлые здания и возводили над ними купола, чтобы сберечь, таким образом, улетающий в космос воздух. Это, конечно, самая неправдоподобная версия, но, думаем, все же и она имеет право на существование. «Не было еще ни одного великого ума без примеси безумия» (Аристотель).









Команда «Юный физик» МОУ СОШ № 12 г. Данилова Ярославской обл.
2011 год. Работа была представлена в интернет проекте «Удивительный мир физики». Организатор «Центр телекоммуникаций и информационных систем в образовании» г. Ярославль



Картинка 6 из 5851 Заголовок 415

Приложенные файлы

  • doc file6
    Исследовательская работа по физике
    Размер файла: 103 kB Загрузок: 4