Важно отметить, что на основе рентгеновского изотопного флуоресцентного метода можно создать довольно простую аппаратуру для проведения химического анализа вещества в космических условиях, удовлетворяющую всем поставленным выше требованиям. Радиоактивные источники, необходимые для облучения грунта, абсолютно надежны в работе, они не требуют настройки, наладки и не нуждаются в электрической энергии. Пропорциональные счетчики, регистрирующие рентгеновское излучение грунта, компактны и легки. Информацию легко перевести в электрические величины — амплитуды импульсов, что очень удобно для передачи по линиям космической радиосвязи. Наконец, исследуемые рентгеновские спектры довольно просты (в них всего несколько линий) по сравнению с оптическими. К настоящему времени в исследованиях химического состава грунта, проведенных непосредственно на поверхности Луны, применялись только два из перечисленных методов. Рентгеновский флуоресцентный метод анализа, предложенный коллективом советских ученых, с успехом был применен при работе автоматических самоходных аппаратов «Луноход-1 и -2». Американские ученые на станциях «Сервейер-5, -6 и -7» использовали метод «обратно рассеянных альфа-частиц» (подробное описание которого будет дано ниже), но впоследствии уже на марсианских станциях «Викинг-1 и -2» они тоже применили рентгеновский флуоресцентный метод.

Исследования химического состава лунного грунта были начаты с орбиты искусственных спутников Луны. Эти спутники позволили изучить характеристики окололунного пространства, магнитного и гравитационного полей Луны, а также, что особенно важно для нас, получить общие сведения геохимического характера. Естественно, что такие исследования являются глобальными, т. е. их результаты получаются усредненными по значительным площадям лунной поверхности.

Измерения, проведенные с помощью гамма-спектрометра, установленного на первом искусственном спутнике Луны — станции «Луна-10», позволили получить данные о гамма-излучении больших областей лунной поверхности. Часть этого излучения, как полагают, возникает за счет взаимодействия космических лучей с поверхностью, а другая связана с собственной радиоактивностью лунных пород. После сравнения интенсивности гамма-излучения от распада в лунном грунте естественных радиоактивных элементов (калия-40, изотопов урана и тория) с интенсивностью излучения этих элементов, содержащихся в земных горных породах, ученые пришли к выводу, что лунные породы содержат радиоактивные элементы, концентрация которых соответствует земным породам основного состава (типа базальтов). Таким образом, полученные данные указывали на отсутствие (в районах лунной поверхности, где проводились измерения) пород с таким же содержанием радиоактивных элементов, как в земных кислых породах (гранитах). Вместе с тем нельзя было на основании лишь орбитальных исследований полностью исключить возможность существования ультраосновного или метеоритного вещества в этих районах.

Исследования Луны с орбит искусственных спутников были продолжены советскими станциями «Луна-11, -12, -14 и -15» (1966–1969 гг.) и пятью американскими аппаратами серии «Лунар орбитер» (1966–1967 гг.). Эти станции дали возможность получить детальные снимки больших площадей видимой и невидимой с Земли сторон Луны, определить аномалии ее гравитационного поля, изучить метеоритную и радиационную обстановку в окрестностях Луны. Полученные результаты позволили сделать вывод о реальности осуществления полетов пилотируемых космических кораблей. Началась также отработка возможности мягкой посадки космической станции в разных районах Луны, т. е. проведение различных маневров с изменением селеноцентрической орбиты («Луна-15»).

Исследование Луны и окололунного пространства с орбиты искусственных спутников Луны оказалось весьма перспективным, поэтому они продолжаются и в настоящее время («Луна-19» в 1971 г., «Луна-22» в 1973 г., «Луна-23» в 1974 г.).

Американская программа исследования Луны с орбиты ее искусственных спутников после полетов аппаратов «Лунар орбитер» осуществлялась с помощью командных модулей кораблей «Аполлон», а также небольших спутников, запущенных экипажами «Аполлона-15 и -16». На борту «Аполлона-15 и -16» находились приборы, позволявшие с помощью метода рентгеновского флуоресцентного анализа (примененного для исследования лунного грунта впервые на «Луноходе-1» в 1970 г.) измерять содержание ряда элементов в поверхностном слое лунного грунта.

Однако следует отметить, что на «Луноходах» была реализована полная схема рентгеновского флуоресцентного анализа: там имелись как радиоактивные источники для возбуждения рентгеновского излучения грунта, так и детекторы для его регистрации. Американские же космонавты имели на борту лишь детекторы, а в качестве источника для возбуждения флуоресценции лунного грунта «использовалось» солнечное рентгеновское излучение (рис. 4), энергия которого достаточна для возбуждения лишь наиболее легких элементов — магния, алюминия, кремния. Кроме того, интенсивность рентгеновского излучения Солнца весьма непостоянна, в силу чего невозможно было проводить абсолютные измерения концентраций.

Рис. 4. Принцип измерения усредненного содержания химических элементов на больших участках лунной поверхности, использующийся при полете кораблей «Аполлон-15 и -16» (для облучения грунта «использовалось» рентгеновское излучение Солнца)

В американском эксперименте использовались три детектора с окнами, изготовленными из тонкой берилловой фольги. Ввиду того что кремний, магний и алюминий имеют очень близкое по энергии флуоресцентное излучение, для определения интенсивности линий этих элементов применялись алюминиевый и магниевый фильтры. С помощью специального источника периодически проводилась калибровка детекторов. Для контроля за интенсивностью рентгеновского излучения Солнца был установлен солнечный монитор, работавший в диапазоне энергий от 1 до 3 кэВ. Для получения энергетических спектров флуоресцентного рентгеновского излучения использовался восьмиканальный амплитудный анализатор.

Измерения с орбиты проводились в течение десятков часов и охватили около 20 % лунной поверхности. В тех местах, где измерения были проведены как «Аполлоном-15», так и «Аполлоном-16», они дали близкие результаты, совпадающие с точностью до 10 %. В результате этих исследований было измерено относительное содержание магния, алюминия и кремния в отдельных, но обширных районах Луны. Из-за большой скорости и значительной высоты орбитального полета каждая «точка» этих измерений соответствовала участку поверхности размером примерно 100 х 150 км.

Орбитальные измерения подтвердили тот факт, что «морские» и «материковые» районы Луны заметно различаются по содержанию в них алюминия. Отношение концентраций «алюминий/кремний» составило для «морских» районов от 0,29 до 0,38, для «материковых» — от 0,42 до 0,69, что хорошо согласуется с результатами других экспериментов. Наблюдалась также определенная корреляция между содержанием алюминия и отражающей способностью соответствующего участка лунной поверхности. Этот факт был вскоре подтвержден соответствующими исследованиями, выполненными на «Луноходе-2».

Любопытно отметить, что содержание алюминия в «морских» районах было выше в краевых частях «морей», граничащих с «материками». Этот результат может, вообще говоря, подтверждать факт горизонтального переноса вещества на лунной поверхности с более высоких «материковых» районов в более низкие «морские». Однако не исключено, что это вызвано неизбежным для данного эксперимента усреднением по сравнительно большой площади: при измерении краевых областей «морей» в поле зрения прибора могли попадать части «материковых» районов. В то же время обнаруженное «Луноходом-2» постепенное изменение химического состава вещества в зоне контакта «морской» и «материковой» областей свидетельствует в пользу наличия перемещения вещества на лунной поверхности.