9.3: Ударні кратери

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78211

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Порівняйте і порівняйте уявлення про те, як утворюються місячні кратери
Поясніть процес утворення ударного кратера
Обговорити використання лічильників кратерів для визначення відносного віку місячних форм рельєфу

Вулканічний проти ударного походження кратерів

Місяць забезпечує важливий орієнтир для розуміння історії нашої планетної системи. Більшість твердих світів демонструють наслідки ударів, часто поширюючись на епоху, коли багато сміття від процесу формування нашої системи все ще було присутнім. На Землі ця довга історія була стерта нашою активною геологією. На Місяці, навпаки, зберігається велика частина історії впливу. Якщо ми зможемо зрозуміти, що сталося на Місяці, ми можемо застосувати ці знання до інших світів. Місяць особливо цікавий тим, що це не просто будь-який місяць, а наш Місяць - навколишній світ, який ділиться історією Землі більше 4 мільярдів років і зберіг запис, який для Землі був знищений нашою активною геологією.

До середини двадцятого століття вчені взагалі не визнавали, що місячні кратери є результатом ударів. Оскільки ударні кратери вкрай рідкісні на Землі, геологи не очікували, що вони будуть головною особливістю місячної геології. Вони міркували (можливо, несвідомо), що оскільки кратери, які ми маємо на Землі, вулканічні, місячні кратери повинні мати подібне походження.

Одним з перших геологів, які припустили, що місячні кратери були результатом ударів, був Гроув К. Гілберт, вчений з Геологічної служби США в 1890-х роках. Він зазначив, що великі місячні кратери - облямовані горами, кругові риси з підлогами, як правило, нижче рівня навколишніх рівнин - більші і мають різну форму від відомих вулканічних кратерів на Землі. Наземні вулканічні кратери менше і глибше і майже завжди зустрічаються на вершині вулканічних гір (рис.\(\PageIndex{1}\)). Єдиною альтернативою для пояснення кратерів Місяця було походження удару. Його ретельні міркування, хоча і не прийняті в той час, заклали основи сучасної науки про місячну геологію.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\) Вулканічні та ударні кратери. Профілі типового наземного вулканічного кратера і типового місячного ударного кратера досить різні.

Гілберт дійшов висновку, що місячні кратери вироблялися ударами, але він не розумів, чому всі вони були круглими, а не овальними. Причина полягає в швидкості втечі, мінімальній швидкості, яку тіло повинно досягти, щоб назавжди відірватися від сили тяжіння іншого тіла; це також мінімальна швидкість, з якою снаряд, що наближається до Землі або Місяця, вдарить. Притягнутий гравітацією більшого тіла, вхідний шматок вражає щонайменше зі швидкістю втечі, яка становить 11 кілометрів в секунду для Землі та 2,4 кілометра в секунду (5400 миль на годину) для Місяця. До цієї швидкості втечі додається будь-яка швидкість снаряда, яка вже мала по відношенню до Землі або Місяця, як правило, 10 кілометрів на секунду або більше.

На цих швидкостях енергія удару виробляє сильний вибух, який симетрично розкопує великий обсяг матеріалу. Фотографії кратерів бомб і снарядів на Землі підтверджують, що кратери вибуху завжди по суті кругові. Тільки після Першої світової війни вчені визнали схожість між ударними кратерами та кратерами вибуху, але, на жаль, Гілберт не дожив, щоб побачити його гіпотезу впливу широко прийнятою.

Процес кратерування

Розглянемо, як вплив на цих високих швидкостях виробляє кратер. Коли такий швидкий снаряд вражає планету, він проникає в два-три рази більше власного діаметра перед зупинкою. Протягом цих кількох секунд його енергія руху передається в ударну хвилю (яка поширюється через тіло мішені) і в тепло (яке випаровує більшу частину снаряда і частину навколишньої мети). Ударна хвиля руйнує породу цілі, тоді як розширюється силікатна пара створює вибух, подібний до вибуху ядерної бомби, детонованої на рівні землі (рис.). Розмір викопаного кратера залежить в першу чергу від швидкості удару, але в цілому він в 10 - 15 разів перевищує діаметр снаряда.

Ударний вибух описаного вище виду призводить до характерного виду кратера, як показано на малюнку. Центральна порожнина спочатку чашеподібна (слово «кратер» походить від грецького слова «чаша»), але відскік кори частково заповнює її, утворюючи рівну підлогу і іноді створюючи центральний пік. Навколо обідка зсуви створюють ряд терас.

Ободок кратера підвертається вгору силою вибуху, тому він піднімається як над підлогою, так і над прилеглою місцевістю. Навколишній обід являє собою викиднековдру, що складається з матеріалу, викинутого вибухом. Це сміття падає назад, щоб створити грубу, горбисту область, як правило, приблизно таку ж ширину, як діаметр кратера. Додаткові, більш швидкісні викиди падають на більших відстанях від кратера, часто копаючи невеликі вторинні кратери там, де вони вдаряються об поверхню (рис./(9.2.4\)).

Деякі з цих потоків викидів можуть простягнутися на сотні або навіть тисячі кілометрів від кратера, створюючи яскраві кратерні промені, які помітні на місячних фотографіях, зроблених поблизу повної фази. Найяскравіші місячні кратерні промені пов'язані з великими молодими кратерами, такими як Кеплер і Тихо.

спостереження за місяцем

Місяць - одна з найкрасивіших пам'яток на небі, і це єдиний об'єкт, досить близький, щоб розкрити його рельєф (особливості поверхні, такі як гори та долини) без відвідування космічного корабля. Досить невеликий аматорський телескоп легко показує кратери і гори на Місяці всього кілька кілометрів в поперечнику.

Навіть як видно через хорошу пару біноклів, ми можемо спостерігати, що зовнішній вигляд поверхні Місяця різко змінюється з його фазою. На повній фазі він майже не показує топографічних деталей, і ви повинні уважно придивитися, щоб побачити більше декількох кратерів. Це пов'язано з тим, що сонячне світло висвітлює поверхню прямо, і при цьому плоскому освітленні тіні не відкидаються. Набагато більш показовим є вид поблизу першої або третьої чверті, коли сонячне світло струмує збоку, змушуючи топографічні риси відкидати різкі тіні. Практично завжди корисніше вивчати планетарну поверхню при такому похилому освітленні, коли можна отримати максимальну інформацію про рельєф поверхні.

Однак плоске освітлення на повній фазі підкреслює яскравість контрастів на Місяці, наприклад, між Марією та нагір'ям. Зверніть увагу на малюнку, що кілька великих кобильних кратерів, здається, оточені білим матеріалом і що світлові смуги або промені, які можуть розтягнутися на сотні кілометрів по всій поверхні, добре видно. Ці більш легкі риси є викидами, виплескування від удару, що утворює кратер.

До речі, немає ніякої небезпеки дивитися на Місяць за допомогою бінокля або телескопів. Відбите сонячне світло ніколи не буває достатньо яскравим, щоб завдати шкоди вашим очам. Насправді освітлена сонцем поверхня Місяця має приблизно таку ж яскравість, як і освітлений сонцем пейзаж темної скелі на Землі. Хоча Місяць виглядає яскраво на нічному небі, її поверхня, в середньому, набагато менш відображає, ніж Земля, з її атмосферою і білими хмарами. Цю різницю добре ілюструє фотографія Місяця, що проходить перед Землею, зроблена з космічного корабля Обсерваторії клімату глибокого космосу (Рисунок). Оскільки космічний корабель взяв зображення з положення всередині орбіти Землі, ми бачимо обидва об'єкти повністю освітленими (повний місяць і повна Земля). До речі, ви не можете побачити багато деталей на Місяці, оскільки експозиція була встановлена, щоб дати яскраве зображення Землі, а не Місяця.

Одна цікава річ про Місяць, яку можна побачити без біноклів або телескопів, в народі називається «молодиком в обіймах старого Місяця». Подивіться на Місяць, коли це тонкий півмісяць, і часто можна розібрати слабке коло всього місячного диска, навіть незважаючи на те, що сонячне світло світить тільки на півмісяць. Інша частина диска висвітлюється не сонячним світлом, а земним світлом - сонячним світлом, відбитим від Землі. Світло повної Землі на Місяці приблизно в 50 разів яскравіше, ніж світить на Землі повного Місяця.

Використання графів кратерів

Якщо світ мало ерозії або внутрішньої активності, як Місяць протягом останніх 3 мільярдів років, можна використовувати кількість ударних кратерів на його поверхні, щоб оцінити вік цієї поверхні. Під «віком» тут ми маємо на увазі час, оскільки на цій поверхні сталося велике порушення (наприклад, виверження вулканів, які спричинили місячну марію).

Ми не можемо безпосередньо виміряти швидкість, з якою утворюються кратери на Землі та Місяці, оскільки середній інтервал між великими кратерутворюючими ударами довший, ніж весь проміжок історії людства. Наш найвідоміший приклад такого великого кратера, метеоритного кратера в Арізоні (рис.\(\PageIndex{6}\)), становить близько 50 000 років. Однак швидкість кратерування можна оцінити за кількістю кратерів на місячній марії або обчислити з кількості потенційних «снарядів» (астероїдів і комет), присутніх в Сонячній системі сьогодні. Обидва рядки міркувань призводять до приблизно однакових оцінок.

Для Місяця ці розрахунки вказують на те, що кратер діаметром 1 кілометр повинен випускатися приблизно кожні 200 000 років, 10-кілометровий кратер - кожні кілька мільйонів років і один-два 100-кілометрові кратера кожні мільярди років. Якщо швидкість кратерінгу залишилася незмінною, ми можемо зрозуміти, скільки часу потрібно було зробити всі кратери, які ми бачимо в місячній марії. Наші розрахунки показують, що на це пішло б кілька мільярдів років. Цей результат подібний до віку, визначеного для марії від радіоактивного датування повернених зразків - від 3,3 до 3,8 мільярда років.

Той факт, що ці два розрахунки погоджуються, свідчить про те, що початкове припущення астрономів було правильним: комети та астероїди приблизно в своїх поточних числах впливають на планетарні поверхні протягом мільярдів років. Розрахунки, проведені для інших планет (і їх супутників), свідчать про те, що вони також зазнали приблизно такої ж кількості міжпланетних впливів за цей час.

Однак у нас є вагомі підстави вважати, що раніше, ніж 3,8 мільярда років тому, показники впливу, мабуть, були набагато вищими. Це стає відразу очевидним при порівнянні кількості кратерів на місячному нагір'ї з тими, що знаходяться на марії. Як правило, на високогір'ї кратерів в 10 разів більше, ніж на аналогічній площі Марії. Проте радіоактивне датування високогірних зразків показало, що вони лише трохи старше марії, як правило, 4,2 мільярда років, а не 3,8 мільярда років. Якби швидкість впливів була постійною протягом всієї історії Місяця, нагір'я повинно було б бути щонайменше в 10 разів старше. Таким чином, їм довелося б сформуватися 38 мільярдів років тому - задовго до початку самого Всесвіту.

У науці, коли припущення призводить до неправдоподібного висновку, ми повинні повернутися назад і переглянути це припущення - в даному випадку постійну швидкість впливу. Протиріччя вирішується, якщо швидкість удару змінювалася з часом, з набагато важчим бомбардуванням раніше, ніж 3,8 мільярда років тому (рис.). Ця «важка бомбардування» спричинила більшість кратерів, які ми бачимо сьогодні у високогір'ї.

Ця ідея, яку ми досліджували - про те, що великі впливи (особливо в ранній історії Сонячної системи) відігравали важливу роль у формуванні світів, які ми бачимо, - не є унікальною для нашого вивчення Місяця. Коли ви читаєте інші глави про планети, ви побачите подальші вказівки на те, що низка сучасних характеристик нашої системи може бути обумовлена її насильницьким минулим.

Резюме

Століття тому Гроув Гілберт припустив, що місячні кратери були спричинені ударами, але процес кратерування не був добре зрозумілий до недавнього часу. Високошвидкісні удари виробляють вибухи і викопують кратери в 10 - 15 разів більше, ніж ударний елемент з піднятими ободами, ковдрами викиду, і часто центральні вершини. Швидкість кратерінгу була приблизно постійною протягом останніх 3 мільярдів років, але раніше були набагато більшими. Кількість кратерів може бути використана для отримання приблизного віку геологічних особливостей на Місяці та інших світах з твердими поверхнями.