1 г лунной породы раскрыл тайну: как ковод помог выяснить причину появления атмосферы на Луне
Это может иметь практическое значение для космических путешествий.
Во время лунного затмения Луна светится красным цветом. Одна из его тайн теперь раскрыта. Фото: Claudio Divizia/Zoonar/picture alliance
Возможно, Луна сохраняла бы свою тайну еще немного дольше, если бы не ковод, рассказывает Die Zeit.
Планетолог Тимо Хопп, в любом случае, провел бы свое исследовательское пребывание в Чикагском университете, изучая другие вопросы, кроме происхождения лунной атмосферы.
«Я только что приехал в Чикаго в конце 2019 года. Тогда произошел коронавирус, и нам не разрешали проводить никакие лабораторные работы в течение шести месяцев», — объясняет он.
Для ученого это означало, что необходимо было найти новый проект.
«Вместе с моим тогдашним руководителем Николя Дофасом мы наконец-то написали предложение, чтобы выяснить источники атмосферы Луны», — рассказывает Хопп.
Астронавты «Аполлона» страдали от лунной пыли, которая прилипала ко всему их оборудованию.
Утверждение, что Луна имеет атмосферу, требует определенной интерпретационной щедрости. Ошибается каждый, кто ориентируется на опыт нашего земного мира — каждый, кто думает о погоде, ветре и облаках или даже о согревающем нашу планету парниковом эффекте. Вместо атмосферы исследователи обычно называют Луну экзосферой. С земной точки зрения, это больше похоже на вакуум: 1 см3 лунного воздуха содержится менее миллиона атомов. На Земле их в десять триллионов раз больше. Другими словами, если заполнить 800 морских контейнеров воздухом гамбургского порта, то этот воздух будет иметь такую же массу, как и вся лунная атмосфера.
Представьте атмосферу нашего спутника как облако из нескольких атомов и молекул. Эти частицы некоторое время подпрыгивают на поверхности спутника, прежде чем окончательно там застрять или вылететь в космос; ни одна частица не остается постоянной частью экзосферы.
Именно это и является причиной исследовательского вопроса Тимо Хоппа: как атмосфера постоянно снабжается новыми частицами?
«Миссии на Луну показали, что здесь могут играть роль разные процессы. Но до сих пор не было понятно, какой процесс решающий», — говорит ученый.
Существует три возможных варианта разрешения лунной загадки. Первое: электрически заряженные частицы солнечного ветра ударяются о рыхлую лунную породу (реголит) на поверхности спутника Земли и выбивают из нее частицы. Во-вторых, удары крошечных микрометеоритов из космоса, размером не более 1 мм, пробивают реголит и улетучивают его части. В-третьих, солнечное ультрафиолетовое излучение высвобождает атомы из лунной породы.
Ответ может иметь практическое значение для космических путешествий. Реголит будет являться важным материалом и сырьем для будущих полетов на Луну, строительства и эксплуатации возможной лунной базы. Поэтому важно понять, какие процессы изменяют этот реголит — и, в частности, которые могут заряжать его электрически, поскольку это делает пыль липкой. Когда-то астронавтам «Аполлона» пришлось бороться с мелкой лунной пылью, которая прилипала ко всему их оборудованию во время миссий на поверхности Луны.
Заряженные частицы солнечного ветра и микрометеоритов выбивают атомы из горной породы на Луне.
Некоторые из выброшенных атомов обладают достаточной энергией, чтобы уйти от гравитации Луны в космос, чтобы убежать от гравитации Луны в космос, другие падают обратно на поверхность.
В 2013-2014 годах миссия НАСА Ladee уже пыталась выяснить, какой из трех процессов, прежде всего, создает экзосферу: она облетела Луну с интервалом в 5 км и определила плотность и состав атмосферы. Согласно одному из результатов, когда на Луну упало необычно большое количество микрометеоритов, атмосфера оказалась особенно плотной. Однако это касалось и тех участков, которые были непосредственно освещены солнцем или подвергались воздействию солнечного ветра. Другими словами, все три процесса способствуют созданию атмосферы Луны. Однако вопрос о том, какой из них самый важный, оставался без ответа.
Исследователи были удивлены тем, насколько четким был ответ
Хопп и его коллеги применили другой подход: они проанализировали лунные породы, доставленные на Землю во время миссий «Аполлон» между 1969 и 1972 годами. Получить месячный реголит для лабораторных анализов было не так уж сложно. Нужно было показать НАСА, что вы можете анализировать результаты измерений, говорит Хопп.
Кроме того, реголит менее востребован, чем лавовая порода из Луны, из которой можно многое узнать о том, как формировалось небесное тело. Астронавты «Аполлона» привезли с собой в общей сложности 382 кг лунной породы, из которых около 1 г исследователи получили в итоге из пяти разных мест посадки «Аполлона» для своих исследований.
Почему реголит содержал ответ на вопросы Хоппа? Определенные элементы особенно распространены в экзосфере, поскольку их легко извлечь из лунной породы. К ним относятся два щелочных металла рубидий и калий. Существуют разные их трудные варианты, так называемые изотопы.
Будут ли легкие или тяжелые изотопы растворяться из породы и в каком количестве зависит от того, попадает ли на поверхность микрометеорит, частица солнечного ветра или солнечное излучение.
Ученые воспользовались этим, проанализировав образцы из миссий «Аполлон», чтобы выяснить, какие элементы остались в породе и в каком количестве, а значит, не были растворены. Такие изотопные анализы представляют собой специализацию лаборатории в Чикаго.
Исследователи обнаружили больше, чем ожидали: именно удары микрометеоритов обеспечили постоянное поступление новых частиц в экзосферу Луны за последний миллиард лет.
«Мы ожидали, что микрометеориты будут составлять большинство. Но мы были удивлены тем, как хорошо и четко сработал наш метод», — говорит исследователь.
Неприятности в раю
Настолько хорошо, что Хопп, уже два года работающий в Институте Макса Планка по исследованию Солнечной системы в Геттингене, думает о следующих небесных телах — теперь, когда разгадана тайна атмосферы Луны. Японское космическое агентство Jaxa вскоре отправится к спутникам Марса, откуда образцы будут доставлены на Землю.
"Наш метод может быть использован для того, чтобы увидеть, существует ли там экзосфера и играют ли роль те же процессы, что и в лунной экзосфере", — говорит Хопп.
Луна с малой массой и кратковременной экзосферой сравнительно легко поддается анализу. В случае тяжелых небесных тел, особенно планет, гораздо сложнее понять, какие процессы сформировали их атмосферу. Это связано с тем, что как только небесное тело имеет достаточное количество с соответствующим притяжением и, возможно, также экранирующим магнитным полем, оно навсегда привязывает газовую оболочку к себе. Значительно большую роль в формировании атмосферы играют события из прошлого: испарение из магматических океанов молодых планет, например вулканизм, тектоника плит или химические процессы в обмене с горными породами и океанами или, как в случае с нашей родной планетой, производство кислорода живыми организмами. 4,5 млрд. лет назад все это создало климат, в котором мы можем хорошо жить при средней глобальной температуре (все еще) 15 °C. В противоположность этому разреженная лунная атмосфера дает нашему спутнику немного тепловых преимуществ: солнечное излучение почти беспрепятственно достигает его поверхности. Колебания температуры соответственно экстремальные: до 130 ° C на солнце днем и до минус 170 ночью.
Больше новостей читайте на GreenPost.
