Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

КАЧЕСТВО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РЕГОЛИТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА УСЛОВИЯ ОСВОЕНИЯ ГОРНЫХ МАТЕРИКОВЫХ РАЙОНОВ ЛУНЫ

Гавришин А.И. 1
1 Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова
В настоящее время большое внимание уделяется использованию космических природных ресурсов и, прежде всего, полезных ископаемых на Луне. Эту проблему поставили и успешно развивают космические агентства России, Соединенных Штатов Америки, Китая, стран Европейского Союза и многих других стран. Цель исследования: оценить опасность освоения Луны и дать прогноз вероятного влияния микроэлементного состава реголита на здоровье будущих селенавтов, геохимическую характеристику реголита (лунного ландшафта) и земной почвы, оценку коэффициента концентрации и коэффициента уменьшения качества реголитов. Основным объектом исследований для оценки опасности освоения Луны выбраны реголиты, доставленные космическими экспедициями «Луна-20» и «Аполлон-16» из горных материковых районов. При работе селенавтов на поверхности Луны следует учитывать ряд негативных факторов: практическое отсутствие атмосферы и кислорода, очень низкую температуру, космическое излучение, падение метеоритов, лунную пыль и многие другие. В связи с этим выполнены геохимическая (селенохимическая) характеристика лунного ландшафта и анализ вероятного влияния химического состава реголита на состояние и здоровье будущих селенавтов. В данной работе произведена оценка качества микроэлементного состава реголита путем сравнения его химического состава с составом земных почв. Рассчитанный для материковых реголитов коэффициент уменьшения качества соответствует категории «кризис». Это свидетельствует о том, что в реголитах ряд микроэлементов содержится в концентрациях, значительно превышающих концентрации в земных почвах. К таким элементам, прежде всего, относятся Ni, Cr, Co, Ag, Au и лантаниды Ho и Er. Это важно учитывать при колонизации Луны, так как высокие концентрации указанных химических элементов могут оказывать негативное влияние на здоровье селенавтов и вызывать аллергические реакции, раздражение глаз, нарушение дыхания, умственной и физической работоспособности.
Луна
качество реголита
геохимия горных ландшафтов
опасность для здоровья
лунные колонисты
освоение Луны
1. Жданова Д.Н., Шмарин Н.В. Луна – проблемы и перспективы связанные с освоением // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2018. Т. 3. № 4 (14). С. 555-556.
2. Захаров А.В., Зеленый Л.М., Попель С.И. Лунная пыль: свойства, потенциальная опасность // Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы. 2020. Т. 54. № 6. С. 483-507.
3. Плеханов Н.С., Летунова О.В. Освоение космоса: цели, задачи и перспективы // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2018. Т. 3. № 4 (14). С. 719-720.
4. Грунт из материкового района Луны: сборник статей. М.: Наука, 1979. 708 с.
5. Fourth Lunar Science conference. USA. Houston. 1973. 980 p.
6. Berezhnoy A.A. Behavior of volatile elements during impact events on the moon // European Lunar Symposium. Münster. Germany. 2017. Р. 45-46.
7. Гавришин А.И. Сравнительный анализ двух методов оценки качества вод // Геоэкология. 2021. № 2. С. 57-66.
8. Wu Y.Z., Wang Z.C., Zhang X.Y. In situ spectra of the moon. European Lunar Symposium. Münster. Germany. 2017. Р. 235-236.
9. Головин А.А., Временные рекомендации к геохимическому обеспечению геологосъемочных работ, завершающихся созданием Госгеолкарты – 200. М.: изд-во МПР, 1999. 350 с.
10. Методические рекомендации по геохимической оценке источников загрязнения окружающей среды. М.: изд-во ИМГРЭ, 1982. 66 с.
11. Гавришин А.И. Применение цифровой классификационной технологии при анализе техногенных изменений окружающей среды // Известия высших учебных заведений. Технические науки. 2020. № 1. С. 11-17.
12. Баранов В.М., Катунцев В.П., Баранов В.М., Шпаков А.В., Тарасенков Г.Г. Вызовы космической медицине при освоении человеком Луны: риски, адаптация, здоровье, работоспособность // Ульяновский медико-биологический журнал. 2018. № 3. С. 109-123.
13. Орлов В.П., Фаррахов Е.Г., Вольфсон И.Ф., Алексеев В.М., Прозорова М.В. Современное состояние и перспективы медицинской геологии (к итогам VII конференции международной медико-геологической ассоциации мед-гео) // Разведка и охрана недр. 2018. № 1. С. 3-7.
14. Шопина О.В. Медицинская геохимия ландшафтов. Влияние особенностей элементного состава окружающей среды на здоровье населения // Российский журнал восстановительной медицины. 2019. № 4. С. 47-67.

Изучение и освоение Космоса являются одной из самых заветных целей человечества. И особый интерес вызывает Луна – ближайший космический сосед Земли. Это единственный в настоящее время космический объект, на котором побывал человек, с которого доставлены на землю и проанализированы образцы пород. Поставлен вопрос о разработке на Луне полезных ископаемых.

С проблемой колонизации Луны тесно связаны вопросы необходимости изучения геохимии (селенохимии) лунных ландшафтов, реголита и земной почвы, сравнения химического состава реголита с составом земной почвы и определения возможного влияния состава реголита на состояние и здоровье селенавтов. В связи с этим основная цель исследований – оценить опасность освоения Луны и дать прогноз вероятного влияния микроэлементного состава реголита на здоровье будущих лунных колонистов.

По результатам изучения Луны опубликовано большое количество работ, в которых рассматриваются вопросы генезиса, свойств и состава лунных пород. Например, проблемы освоения Луны рассмотрены в публикациях [1, 2, 3]; общий химический состав лунных ландшафтов и реголитов – в [4, 5]; состав отдельных образцов реголитов – в [6, 7, 8]; состав земных почв – в [9, 10]; методические аспекты исследований отражены в публикациях [2, 10, 11]; проблемы космической медицины и заболеваний рассмотрены в [12, 13, 14]. Автором опубликовано несколько статей по геохимии лунных пород и стекол [7, 11].

В последнее время большое внимание уделяется проблеме использования космических природных ресурсов и, прежде всего, полезных ископаемых на Луне [1, 2, 3]. Подчеркивая важность изучения и освоения Луны, еще в прошлом веке ее назвали седьмым континентом Земли. Предложены многочисленные проекты освоения лунной поверхности и возведения сооружений для размещения жилых комплексов, лабораторий и производств. Предлагается использовать для этого лунный реголит и самые современные технологии возведения сооружений [1, 3].

Лунный реголит – это рыхлый покров обломочного материала, включающий камни и обломки разных размеров, смещенные с места своего залегания. Реголит образуется под воздействием ударно-взрывных процессов кратерообразования с участием перемещения вещества вниз по склонам и некоторых других процессов.

Деятельность селенавтов на поверхности Луны связана с высоким риском для здоровья и жизни. Человек попадает в очень агрессивные условия, которые требуют использования мощных средств индивидуальной защиты. Необходимо учитывать следующие факторы: почти нулевое давление на поверхности и практическое отсутствие газовой атмосферы, низкую температуру (до –160°С), низкую гравитацию, отсутствие магнитного поля, незащищенность от космического излучения, возможность столкновения Луны с крупными метеоритами и др. [3].

Эти проблемы обусловливают высокую актуальность детального изучения лунного реголита, необходимость оценки его качества путем сравнения его химического состава с составом земной почвы и выделения химических элементов, концентрации которых значительно выше в реголите и которые могут оказать отрицательное влияние на состояние и здоровье будущих селенавтов. В данной работе основное внимание уделено изучению геохимии лунного ландшафта и оценке качества химического состава реголита по анализам проб, отобранных в горных материковых районах Луны космическими экспедициями «Луна-20» и «Аполлон-16» [4–8].

Материалы и методы исследования

В настоящей статье для оценки опасности при освоении лунной поверхности и при разработке полезных ископаемых применен широко известный в геохимии и геоэкологии метод расчета коэффициента концентрации (Ri) и коэффициента уменьшения качества (PC) [7, 10]. Выделено пять категорий опасности: «норма», «риск», «кризис», «бедствие» и «катастрофа» (табл. 1). Коэффициент концентрации i-го компонента рассчитывается по следующей формуле:

Ri =Ci / Cп ,

где Ci – концентрация компонента в реголите, Cп – фоновая концентрация компонента в земной почве.

Качество почв и окружающей среды по n компонентам оценивается по коэффициенту уменьшения качества:

PC=∑i Ki – (n – 1).

Таблица 1

Категории качества

Значение коэффициента

Название категории

<2

Норма

≥2–16

Риск

≥16–128

Кризис

≥128–1024

Бедствие

≥1024

Катастрофа

Чем больше величина коэффициента уменьшения качества, тем ниже качество реголита. Например, значение коэффициента, равное 14, соответствует категории «риск», а значение, равное 200, соответствует категории «бедствие». В данной работе использованы фоновые концентрации микроэлементов в земной почве [9, 10] и в реголитах, полученных экспедициями «Луна-20» и «Аполлон-16» [3–8].

В последнее время значительные исследования о влиянии на здоровье человека недостатка, избытка или дисбаланса микроэлементов выполнены в рамках новых научных дисциплин «Медицинская геология» и «Медицинская геохимия» [12, 13, 14]. Все это позволило сделать прогноз возможного влияния на здоровье селенавтов микроэлементов, концентрации которых в лунном реголите значительно выше, чем в земных почвах.

Например, высокие концентрации в реголитах хрома могут вызвать такие заболевания, как дерматит, язва желудка, нарушение сердечной деятельности; никеля – ишемическая болезнь сердца, саркома, ухудшение зрения; кобальта – астма, гипертензия щитовидной железы и др. Повышенные концентрации лантанидов относятся к токсичным. Даже очень высокие содержания Au и Ag могут оказываться вредными для здоровья и вызывать дерматит, стоматит, диарею.

Необходимо отметить также негативное влияние на здоровье и самочувствие селенавтов лунной пыли. В обзорной работе [2] детально и всесторонне охарактеризованы свойства лунной пыли и рассмотрена ее потенциальная опасность. Более 95% массы реголита составляют частицы менее 1 мм. Частицы <100 мкм относятся к лунной пыли. Средний размер лунной пыли – от 40 до 100 мкм, и эти частицы составляют около половины массы реголита. Форма пылевых частиц разнообразна, они имеют ярко выраженные заостренные края, что обусловливает их очень высокую негативную особенность. Оказалось, что скорость вращения левитирующих микронных и субмикронных частиц на Луне может составлять миллионы оборотов в секунду. Видимо, эта особенность обусловливает высокую токсичность и агрессивность воздействия на поверхности приборов и способность проникать сквозь герметические уплотнители. Абразивные свойства пыли приводили к тому, что циферблаты многих приборов были настолько поцарапаны, что было невозможно прочитать показания.

Качество реголита «Луна-20»

Автоматическая станция «Луна-20» совершила посадку в типичном материковом районе Луны в феврале 1972 г., на северо-восточной оконечности Моря Изобилия (Foecunditatis). Рельеф района посадки типичен для материковых областей. На Землю доставлено 55 г реголита [4]. Образец характеризуется относительно невысоким содержанием вторичных частиц, в нем преобладают породы анортозитового типа.

По результатам космической экспедиции «Луна-20» произведены геохимическая характеристика материкового ландшафта и сравнение химического состава земных почв и реголита, выполнена оценка качества химического состава горного реголита путем расчета коэффициента уменьшения качества реголита по концентрациям 34 элементов (табл. 2).

По величине коэффициента уменьшения качества (Pc), который равен 35,18, ситуация относится к категории «кризис». В материковом лунном реголите обнаружен ряд химических элементов, концентрации которых значительно превышают их содержание в земной почве. К таким элементам относятся Cr, Ni, Co, Sc, Ag и Au, а также лантанид Ho. Все это важно учитывать при организации поселений и разработке полезных ископаемых на Луне.

Достижения современной медицинской геологии позволяют сделать предположения о возможном влиянии на состояние и здоровье лунных колонистов повышенных концентраций некоторых обнаруженных микроэлементов, которые приведены выше.

Качество реголита «Аполлон-16»

«Аполло́н-16» (Apollo 16) — десятый пилотируемый полет в рамках программы «Аполлон», состоявшийся 16–27 апреля 1972 г. Это пятая высадка людей на Луну. В ходе полета «Аполлона-16» лунный модуль «Орион» осуществил посадку в высокогорном материковом районе Луны на плато Кэйли (Cayley Plains) [4, 5]. Астронавтами было собрано и доставлено на Землю 95,7 кг лунных образцов.

По результатам космической экспедиции «Аполлон-16» произведены геохимическая характеристика материкового ландшафта и сравнение химического состава земных почв и реголита, выполнена оценка качества химического состава горного реголита путем расчета коэффициента уменьшения качества реголита по концентрациям 34 микроэлементов (табл. 3).

Таблица 2

Геохимическая характеристика материкового лунного ландшафта и оценка качества горного реголита «Луна-20»

Элемент

Концентрация

Ri

Элемент

Концентрация

Ri

Земля

Луна

Земля

Луна

Ba

500

120

0,24

Sb

1

0,2

0,2

Co

9

30

3,3

Au

1

7,8

7,8

Cs

3

0,2

0,07

Sr

300

230

0,77

Cu

25

27

`1,1

La

40

9,7

0,24

Zn

60

76

1,27

Ce

60

24,5

0,41

Ga

20

3,4

0,17

Pr

7

3,3

0,47

Se

0,4

0,2

0,5

Nd

33

16,6

0,5

Rb

150

2

0,013

Sm

5

4,5

0,9

Sc

7

16

2,3

Eu

1,5

1,1

0,73

Nb

24

6,8

0,28

Gd

4

5,5

1,37

Ni

20

194

9,7

Tb

0,65

0,78

1,2

V

90

54

0,6

Dy

4

5,5

1,4

Zr

300

400

1,38

Ho

0,6

1,2

2,0

Ag

70

720

14,4

Er

2

3

1,5

Pb

20

1,2

0,06

Tm

0,6

0,48

0,8

Cr

70

780

11,14

Yb

3

2,4

0,8

Sn

4,5

3

0,67

Lu

0,4

0,4

1,0

PC

           

35,18

Таблица 3

Геохимическая характеристика материкового лунного ландшафта и оценка качества горного реголита «Аполлон-16»

Элемент

Концентрация

Ri

Элемент

Концентрация

Ri

Земля

Луна

Земля

Луна

Ba

500

140

0,28

Sb

3

0,045

0,015

Co

9

26

2,9

Au

1

10

10

Cs

3

0,12

0,04

Sr

300

188

0,63

Cu

25

7

0,28`

La

40

13

0,38

Zn

60

29

0,48

Ce

60

30

0,5

Ga

20

5,2

0,26

Pr

7

4,6

0,15

Se

0,4

0,28

0,7

Nd

33

15

0,3

Rb

150

2,3

0,015

Sm

5

5

1,0

Sc

7

10

1,43

Eu

1,5

1,2

0,8

Nb

24

11

0,46

Gd

4

5

1,25

Ni

20

380

19

Tb

0,65

1,1

1,69

V

90

25

0,28

Dy

4

7

1,75

Zr

300

200

0,67

Ho

0,6

1,5

2,5

Ag

70

340

4,8

Er

2

4

2,0

Pb

20

2,3

0,12

Tm

0,6

0,7

1,17

Cr

70

600

8,57

Yb

3

4,6

1,53

Sn

4,5

0,5

0,11

Lu

0,4

0,6

1,5

PC

           

34,28

Результаты оценки качества химического состава реголита «Аполлон-16» очень близки к результатам оценки реголита «Луна-20». По величине коэффициента уменьшения качества (Pc), который равен 34,28, ситуация относится к категории начального кризиса (табл. 1). В лунном реголите обнаружен ряд химических элементов, концентрации которых значительно превышают их содержание в земной почве. К таким элементам относятся Ni, Cr, Co, Ag и Au, а также лантаниды Ho, Er. Все это важно учитывать при организации поселений на Луне. Как показано выше, высокие концентрации перечисленных микроэлементов могут вызывать целый ряд легочных, сердечно-сосудистых и желудочно-кишечных заболеваний.

Заключение

В данной работе выполнена геохимическая характеристика лунного ландшафта в материковом районе Луны и изучено качество горных реголитов, доставленных космическими экспедициями «Луна-20» и «Аполлон-16». Для изучения вероятного воздействия микроэлементного состава материковых реголитов на здоровье будущих селенавтов использованы концентрации 34 химических элементов. Установлено, что концентрации ряда микроэлементов в горных реголитах намного превышают их концентрации в земных почвах, это может оказывать негативное влияние на здоровье селенавтов при работе на лунной поверхности и при разработке полезных ископаемых.

К таким опасным для здоровья селенавтов микроэлементам относятся Ni, Cr, Co, Ag и Au, а также лантаниды Ho и Er. Это важно учитывать при колонизации Луны, так как высокие концентрации указанных химических элементов могут вызывать аллергические реакции, раздражение глаз, нарушение дыхания, умственной и физической работоспособности.

К размещению на Луне собственных баз готовятся несколько крупных держав: Россия [3, 4], США [5], Китай [8], Индия, Япония, страны Европейского Союза, а также несколько частных компаний. Планируется использовать естественный спутник Земли как ресурсную базу (энергия, гелий, лед, различные составляющие реголита), опытный и научный полигон, где будут тестироваться космические технологии для дальних полетов, в том числе на Марс.


Библиографическая ссылка

Гавришин А.И. КАЧЕСТВО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РЕГОЛИТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА УСЛОВИЯ ОСВОЕНИЯ ГОРНЫХ МАТЕРИКОВЫХ РАЙОНОВ ЛУНЫ // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 11. – С. 113-117;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37937 (дата обращения: 13.07.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674