Почему температура на Луне не повредила фото- и кинопленку?

Краткий ответ: Высокой температуры (выше 100 °С) лунная поверхность достигает к полудню, к этому времени экипажей Apollo на Луне уже не было. Фотокамеры покрывались серебристой краской, которая отражала свет намного эффективнее, чем темная лунная поверхность, и они никогда не нагревались достаточно сильно, чтобы повредить пленку.

Температура поверхности Луны в полуденное время достигает 120 °С, что превышает допустимый рабочий температурный диапазон фотопленки Kodak. Это противоречие привело к вопросам о принципиальной возможности съемки на обычную фотопленку на поверхности Луны: почему температура не испортила пленку?

Чтобы убедиться, что лунная жара не мешала фото- и киносъемке, нам потребуется учесть свойства распространения энергии в вакууме и технологии теплозащиты, применяемые в программе Apollo.

Первое, что следует понять, температура поверхности Луны очень слабо связана с температурой пленки внутри фотокамеры. Даже на Земле в солнечный день какая-либо темная поверхность под прямыми лучами может нагреться значительно выше, чем окружающий воздух. В этом можно убедиться, прикоснувшись к темной металлической поверхности, которую освещает полуденное солнце, — этот эффект сохраняется даже зимой при минусовой температуре воздуха. На Луне длительность солнечного дня составляет две земных недели, из-за чего поверхность успевает сильно разогреться, хотя и находится практически на том же расстоянии от Солнца, что и наша Земля.

Температура тела — это показатель кинетической энергии частиц этого тела. Говоря проще, чем активнее движутся частицы тела (атомы и молекулы), тем выше его температура. Тепло и холод — это субъективные ощущения человеческого тела, связанные с взаимодействием с другими телами, которые имеют бóльшую или меньшую температуру в сравнении с нами.

Тепло на Земле может передаваться тремя способами:

1) теплопроводностью при прямом контакте — так мы греем руки, держа в них кружку горячего чая;

2) конвекцией газа или жидкости — так мы охлаждаем чай, когда дуем на него;

3) излучением — благодаря ему, мы можем узнать, горячая ли вода в чайнике, не прикасаясь к нему, а просто поднеся руку сбоку на близкое расстояние.

С технической точки зрения на Луне вакуум, поэтому конвекция там не сработает. Теплопроводность поверхности Луны нагреет пленку, только если камеру положить на грунт. В остальных случаях единственным способом нагреть фотопленку становится излучение от Солнца и поверхности Луны. От внешнего теплового излучения фотокамеры защищались посеребрением, хорошо отражающим свет. Остужались камеры также через излучение, когда астронавты находились в тени лунного модуля или поворачивались спиной к солнцу.

В рассуждениях о лунной жаре и холоде есть одно лукавство. Ни фотокамеры экспедиций Apollo, ни ботинки скафандров астронавтов не сталкивались с температурой в 120 °С. Эта температура зарегистрирована в лунный полдень, когда на Луне никого не было.

Во всех случаях посадка на Луну происходила ранним утром, когда Солнце только поднималось над горизонтом. Такое время сознательно выбирали, чтобы избежать перегрева модуля и астронавтов. Солнце движется по лунному небу очень медленно, примерно полградуса за час. Поэтому даже спустя несколько земных суток на Луне продолжалось утро. К примеру, Apollo 11 прилунился, когда Солнце было на высоте 10 градусов над горизонтом. Старт с лунной поверхности состоялся, когда Солнце поднялось до высоты 21,5 градуса. Самая длительная экспедиция людей на Луне — Apollo 17, прилунение состоялось, когда Солнце было на высоте 8 градусов над горизонтом, а старт лунного модуля произошел, когда Солнце находилось на высоте 48 градусов.

Сегодня температура лунной поверхности подробно изучена как с Земли, так и с окололунной орбиты. Температурные карты созданы прибором Diviner Lunar Radiometer Experiment, расположенным на окололунном зонде NASA LRO. Согласно его данным, температура поверхности на экваторе Луны от момента посадки Apollo 17 до его старта изменялась с −3 °С до +60 °С.

Результаты измерений Diviner хорошо объясняют, почему фотокарточка семьи астронавта Apollo 16 Чарльза Дьюка не пострадала от нагрева, когда он оставил ее на поверхности Луны.

Астронавты Apollo доставили на поверхность Луны приборные блоки ALSEP, которые работали длительные периоды даже после отбытия экипажей. В числе инструментов ALSEP были и термометры, измеряющие собственную температуру в течение всех лунных суток. По их данным мы можем оценивать, какой нагрев угрожал оборудованию на Луне в период пилотируемой высадки.

Так, посадка лунных модулей Apollo происходила в то время суток, когда термометр прибора показывал около −40 °С. Старт Apollo 11 произошел, когда термометр развернутого прибора EASEP нагрелся до 5 °С. Максимальная зарегистрированная EASEP температура в полдень, уже после отлета экипажа, была около 70 °С. Apollo 17 стартовал в более теплое время суток, чем Apollo 11, когда приборы прогревались до 50 °С.

Заметная разница между показаниями прибора на Луне и орбитальными данными о температуре самой поверхности не должна удивлять. Поверхность Луны хорошо поглощает свет и нагревается. Научное оборудование же специально покрывается экранно-вакуумной теплоизоляцией и светоотражающей белой или серебристой краской, чтобы избежать перегрева.

Температуру на Луне измеряли не только американцы. Китайский спускаемый аппарат Chang'e 3 также вел измерения. Термометр прибора Lunar Dust Detector включался, когда Солнце поднималось на 20 градусов над горизонтом, и отключался, когда солнечный диск снижался на другой стороне небосвода до высоты тех же 20 градусов. Измерения велись с ноября 2013 года по ноябрь 2014-го. За это время прибор показал небольшое циклическое годовое колебание, но в целом минимальная зарегистрированная температура в дневное время оказалась −7 °С, а макси- мальная — 45 °С.

Разница между максимальной температурой на американской и китайской станциях также имеет объяснение: американцы высадились близко к экватору, а Chang'e 3 — в средних широтах северного полушария, куда солнечного света попадает меньше. Также, вероятно, сказалось воздействие лунной пыли. Американская станция EASEP была засорена во время старта лунного модуля Apollo 11, что привело к перегреву и выходу из строя во второй лунный полдень.