Для большинства практических целей считается, что Луна окружена вакуумом. На самом деле на ней есть слабая, едва заметная атмосфера, обнаруженная в 1980-х годах и наблюдаемая как очень редкий слой атомов, отражающихся от ее поверхности.
Всегда считалось, что эта атмосфера, технически известная как экзосфера, образовалась в результате какой-то эрозии. Теперь ученые из Массачусетского технологического института (MIT) и Чикагского университета определили основной процесс, который сформировал атмосферу Луны и продолжает поддерживать ее сегодня: ударное испарение.
Главными виновниками этого процесса были огромные метеориты, которые непрерывно бомбардировали ее в течение первых нескольких миллиардов лет. А затем микрометеороиды размером с пылинку, которые попали в нее совсем недавно и продолжают попадать.
Возможные виновники лунной атмосферы
В 2013 году НАСА отправило вокруг Луны орбитальный аппарат для детальной разведки атмосферы: Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer, LADEE. Задача LADEE заключалась в дистанционном сборе информации о тонкой атмосфере Луны, состоянии ее поверхности и о том, какое влияние оказывала и оказывает окружающая среда на реголит.
Данные LADEE подтвердили гипотезу ученых о том, что лунная поверхность и состав атмосферы могут быть связаны с определенными процессами космической эрозии. В частности, два из них были главными подозреваемыми:
- Ударное испарение, вызванное постоянной бомбардировкой поверхности спутника каменистыми объектами. Метеороидные ливни, падающие на землю, поднимают частицы и атомы, которые заполняют атмосферу.
- Ионное распыление, явление, связанное с солнечным ветром, переносит энергичные заряженные частицы от Солнца через пространство. Когда эти частицы ударяются о поверхность Луны, они могут передать свою энергию атомам в грунте и заставить их распыляться и летать в воздухе.
Согласно данным LADEE, казалось, что оба процесса играют важную роль. Но был ли какой-то из них доминирующим?
Анализ лунных образцов «Аполлона»
Чтобы ответить на этот вопрос, профессор кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института Николь Ни и ее коллеги изучили образцы лунного грунта, собранные астронавтами во время миссий НАСА «Аполлон».
Совместно с исследователями из Чикагского университета они получили 10 образцов лунного грунта, каждый из которых составлял около 100 миллиграммов. Крошечное количество, которое, по словам Ни, может содержаться в одной капле дождя.
Затем они попытались выделить из каждого образца два элемента: калий и рубидий. Оба элемента «летучие», то есть легко испаряются как при ударах, так и при ионном распылении, и каждый из них существует в виде различных изотопов — атомов с одинаковым числом протонов, но немного отличающимся числом нейтронов.
Команда рассудила, что если лунная атмосфера состоит из атомов, которые были испарены и взвешены в воздухе, то более легкие изотопы этих атомов должны легче подниматься вверх, в то время как более тяжелые изотопы, скорее всего, будут оседать обратно на землю. Более того, эти два различных процесса должны приводить к совершенно разным изотопным соотношениям в почве. Таким образом, конкретное соотношение легких и тяжелых изотопов калия и рубидия, оставшихся в почве, должно выявить основной процесс, способствовавший возникновению лунной атмосферы.
Команда проанализировала образцы «Аполлона», сначала измельчив грунт в мелкий порошок, затем растворив порошки в кислотах, чтобы очистить и выделить растворы, содержащие калий и рубидий. Затем он пропустил эти растворы через масс-спектрометр, чтобы измерить содержание различных изотопов калия и рубидия в каждом образце.
Для создания атмосферы преобладает ударное испарение
Образцы содержали в основном тяжелые изотопы калия и рубидия. Исследователи также смогли количественно определить соотношение тяжелых и легких изотопов, сравнив оба элемента. Таким образом, они пришли к выводу, что ударное испарение, скорее всего, является доминирующим процессом, в результате которого атомы испаряются и поднимаются вверх, образуя атмосферу Луны.
Поэтому постоянные удары поднимают лунный грунт, испаряя некоторые атомы при контакте и поднимая частицы в воздух. Некоторые атомы выбрасываются в космос, а другие остаются во взвешенном состоянии на Луне, образуя непрочную атмосферу, которая постоянно пополняется по мере того, как метеориты продолжают падать на поверхность.
В частности, исследование показывает, что 70 % или более атмосферы Луны — это продукт падения метеоритов, а остальные 30 % — следствие солнечного ветра. Это очень важный результат, который выходит за рамки понимания истории нашей Луны, поскольку аналогичные процессы могут происходить (и быть более значительными) на других спутниках.
Важность наличия лунных образцов
Открытие, сделанное командой Ни, напоминает о важности образцов, доставленных на Землю миссиями «Аполлон». Без них ученые не смогли бы получить точные данные и провести количественные измерения, чтобы понять все более детально.
По-прежнему очень важно, помимо всех действующих или готовящихся миссий по изучению Луны с орбиты, доставлять на Землю образцы с нашего спутника (а также с других планетарных тел). Их анализ с помощью современных приборов на Земле позволяет получить более точные данные, чем анализ на месте или данные, полученные с орбиты.
25 июня 2024 года капсула китайской миссии «Чанъэ-6» вернулась на Землю, впервые в истории собрав образцы со скрытой от нас стороны Луны. Вес образцов составил 1935,3 грамма, или почти 2 кг.
Теперь их будут изучать китайские ученые в сотрудничестве с международными экспертами в надежде, что они смогут рассказать нам много нового о лунной поверхности, которую мы никогда не увидим.
Помните, что помимо того, что лунные ресурсы — это ценное окно в историю Солнечной системы и нашего спутника в частности, они необходимы для будущих исследовательских миссий и планов по постоянному пребыванию человека на Луне.