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.