Ученые выяснили происхождение разреженной атмосферы Луны
Хотя на Луне нет пригодного для дыхания воздуха, на ней есть едва заметная атмосфера. С 1980-х годов астрономы наблюдали очень тонкий слой атомов, отскакивающих от поверхности Луны. Эта тонкая атмосфера — технически известная как «экзосфера» — вероятно, является продуктом некоего вида космического выветривания. Но какими именно могут быть эти процессы, было трудно определить с какой-либо определенностью.
Теперь ученые из Массачусетского технологического института и Чикагского университета говорят, что они определили основной процесс, который сформировал атмосферу Луны и продолжает поддерживать ее сегодня. В исследовании, опубликованном в Science Advances , группа сообщает, что лунная атмосфера в первую очередь является продуктом «ударов испарения».
В своем исследовании ученые проанализировали образцы лунного грунта , собранные астронавтами во время миссий НАСА «Аполлон».
Их анализ показывает, что на протяжении 4,5 миллиардов лет истории Луны ее поверхность постоянно подвергалась бомбардировке: сначала крупными метеоритами, а затем, в последнее время, более мелкими, размером с пыль, «микрометеороидами».
Эти постоянные удары подняли лунный грунт, испаряя определенные атомы при контакте и поднимая частицы в воздух. Некоторые атомы выбрасываются в космос, в то время как другие остаются подвешенными над луной, образуя разреженную атмосферу, которая постоянно пополняется, поскольку метеориты продолжают падать на поверхность.
Исследователи обнаружили, что испарение при ударе является основным процессом, посредством которого на Луне на протяжении миллиардов лет формировалась и поддерживалась ее чрезвычайно тонкая атмосфера.
«Мы даем окончательный ответ, что испарение при ударе метеорита является доминирующим процессом, создающим лунную атмосферу», — говорит ведущий автор исследования Николь Ни из Массачусетского технологического института. «Луне около 4,5 миллиардов лет, и все это время ее поверхность непрерывно подвергалась бомбардировке метеоритами. Мы показываем, что в конечном итоге тонкая атмосфера достигает устойчивого состояния, поскольку она непрерывно пополняется небольшими ударами по всей Луне».
В 2013 году НАСА отправило орбитальный аппарат вокруг Луны для проведения детальной атмосферной разведки. Исследователь лунной атмосферы и пылевой среды (LADEE, произносится как «лэдди») был призван удаленно собирать информацию о тонкой атмосфере Луны, условиях на поверхности и любых воздействиях окружающей среды на лунную пыль.
Миссия LADEE была разработана для определения происхождения атмосферы Луны. Ученые надеялись, что дистанционные измерения зондом состава почвы и атмосферы могут коррелировать с определенными процессами космического выветривания, которые затем могли бы объяснить, как возникла атмосфера Луны.
Исследователи подозревают, что два процесса космического выветривания играют роль в формировании лунной атмосферы: испарение под воздействием удара и «ионное распыление» — явление, связанное с солнечным ветром, который переносит энергичные заряженные частицы от Солнца через космос. Когда эти частицы попадают на поверхность Луны, они могут передавать свою энергию атомам в почве и заставлять эти атомы распыляться и летать в воздухе.
«Судя по данным LADEE, похоже, что оба процесса играют свою роль», — говорит Ни. «Например, это показало, что во время метеоритных дождей вы видите больше атомов в атмосфере, что означает, что удары оказывают влияние. Но это также показало, что когда Луна закрыта от Солнца, например, во время затмения, происходят также изменения в атомах атмосферы, что означает, что Солнце также оказывает влияние. Поэтому результаты не были четкими или количественными».
Чтобы точнее определить происхождение лунной атмосферы, Ни изучила образцы лунного грунта, собранные астронавтами во время миссий NASA Apollo. Она и ее коллеги из Чикагского университета приобрели 10 образцов лунного грунта, каждый из которых весил около 100 миллиграммов — крошечное количество, которое, по ее оценкам, поместилось бы в одну каплю дождя.
Ни стремился сначала выделить два элемента из каждого образца: калий и рубидий. Оба элемента являются «летучими», что означает, что они легко испаряются при ударах и ионном распылении.
Каждый элемент существует в виде нескольких изотопов. Изотоп — это разновидность одного и того же элемента, которая состоит из того же числа протонов, но немного отличающегося числа нейтронов. Например, калий может существовать в виде одного из трех изотопов, каждый из которых имеет на один нейтрон больше, и один из них немного тяжелее предыдущего. Аналогично, существует два изотопа рубидия.
Группа ученых пришла к выводу, что если атмосфера Луны состоит из атомов, которые испарились и взвешены в воздухе, то более легкие изотопы этих атомов должны легче подниматься, в то время как более тяжелые изотопы с большей вероятностью будут осаждаться обратно в почву.
Более того, ученые предсказывают, что ударное испарение и ионное распыление должны приводить к совершенно разным изотопным пропорциям в почве. Конкретное соотношение легких и тяжелых изотопов, которые остаются в почве, как для калия, так и для рубидия, должно затем раскрыть основной процесс, способствующий возникновению лунной атмосферы.
Имея все это в виду, Ни проанализировала образцы Apollo, сначала измельчив почву в мелкий порошок, затем растворив порошки в кислотах для очистки и выделения растворов, содержащих калий и рубидий. Затем она пропустила эти растворы через масс-спектрометр для измерения различных изотопов как калия, так и рубидия в каждом образце.
Команда обнаружила, что почвы в основном содержали тяжелые изотопы калия и рубидия. Исследователи смогли количественно определить соотношение тяжелых и легких изотопов калия и рубидия, и, сравнив оба элемента, они обнаружили, что испарение при ударе, скорее всего, было доминирующим процессом, посредством которого атомы испаряются и поднимаются, образуя атмосферу Луны.
«При ударном испарении большая часть атомов останется в лунной атмосфере , тогда как при ионном распылении большое количество атомов будет выброшено в космос», — говорит Ни. «Благодаря нашему исследованию мы теперь можем количественно оценить роль обоих процессов, сказав, что относительный вклад испарения при ударе по сравнению с распылением ионами составляет около 70:30 или больше». Другими словами, 70% или более атмосферы Луны являются продуктом ударов метеоритов, тогда как оставшиеся 30% являются следствием солнечного ветра.
Ученые отмечают, что это открытие выходит за рамки понимания истории Луны, поскольку подобные процессы могут происходить и быть более значимыми на других лунах и астероидах, которые находятся в центре внимания многих запланированных миссий по возвращению.
«Без этих образцов Аполлона мы не смогли бы получить точные данные и провести количественные измерения, чтобы понять вещи более подробно», — говорит Ни. «Для нас важно привезти образцы с Луны и других планетарных тел, чтобы мы могли составить более четкие картины формирования и эволюции Солнечной системы».