Ученые выяснили происхождение разреженной атмосферы Луны

Автор: Unsplash/CC0 Public Domain

Хотя на Луне нет воздуха, пригодного для дыхания, на ней почти нет атмосферы. С 1980-х годов астрономы наблюдали очень тонкий слой атомов, прыгающий по поверхности Луны. Эта хрупкая атмосфера, технически известная как «экзосфера», вероятно, является продуктом какого-то космического выветривания. Но что именно могут представлять собой эти процессы, трудно определить с какой-либо уверенностью.

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 журнале Science Advances, команда сообщает, что лунная атмосфера в первую очередь является продуктом «ударного испарения».

В своем исследовании ученые проанализировали образцы лунного грунта, собранные астронавтами во время миссий НАСА «Аполлон».

Их анализ показывает, что на протяжении 4,5-миллиардной истории Луны ее поверхность постоянно подвергалась бомбардировке, сначала массивными метеоритами, а в последнее время - более мелкими «микрометеороидами» размером с пыль.

«Мы даем однозначный ответ: испарение метеорита при ударе является доминирующим процессом, создающим лунную атмосферу», — говорит ведущий автор исследования Николь Ни, доцент кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института.

«Луне около 4,5 миллиардов лет, и все это время ее поверхность постоянно подвергалась бомбардировке метеоритами. Мы показываем, что в конечном итоге тонкая атмосфера достигает устойчивого состояния, потому что она постоянно пополняется небольшими ударами по всей Луне».

Соавторами Ни являются Николас Дауфас, Чжэ Чжан и Тимо Хопп из Чикагского университета, а также Менелаос Сарантос из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА.

Роли Уэзеринга

В 2013 году НАСА отправило орбитальный аппарат вокруг Луны для детального исследования атмосферы. Исследователь лунной атмосферы и пылевой среды (LADEE, произносится как «парень») получил задание удаленно собрать информацию о тонкой атмосфере Луны, условиях поверхности и любых воздействиях окружающей среды на лунную пыль.

Миссия LADEE была разработана для определения происхождения атмосферы Луны. Ученые надеялись, что дистанционные измерения состава почвы и атмосферы, полученные зондом, могут коррелировать с определенными процессами космического выветривания, которые затем смогут объяснить, как возникла атмосфера Луны.

Исследователи подозревают, что в формировании лунной атмосферы играют роль два процесса космического выветривания: ударное испарение и «ионное распыление» — явление, связанное с солнечным ветром, которое переносит энергичные заряженные частицы от Солнца через космос. Когда эти частицы ударяются о поверхность Луны, они могут передать свою энергию атомам в почве и отправить эти атомы распыляться и взлетать в воздух.

«По данным LADEE, похоже, что оба процесса играют свою роль», — говорит Ни.

«Например, оно показало, что во время метеоритных дождей в атмосфере видно больше атомов, а это означает, что удары имеют эффект. Но оно также показало, что когда Луна защищена от Солнца, например, во время затмения, также происходят изменения в атомы атмосферы, а это означает, что солнце также оказывает влияние. Таким образом, результаты не были четкими или количественными».

Ответы в почве

Чтобы более точно определить происхождение лунной атмосферы, Ни обратился к образцам лунного грунта, собранным астронавтами во время миссий НАСА «Аполлон». Она и ее коллеги из Чикагского университета получили 10 образцов лунного грунта, каждый весом около 100 миллиграммов — крошечное количество, которое, по ее оценкам, поместилось бы в одну каплю дождя.

Ни стремился сначала выделить из каждого образца два элемента: калий и рубидий. Оба элемента «летучие», 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, состоящая из одинакового числа протонов, но немного другого количества нейтронов. Например, калий может существовать в виде одного из трех изотопов, каждый из которых имеет на один нейтрон больше, и каждый из них немного тяжелее предыдущего. Точно так же существует два изотопа рубидия.

Команда пришла к выводу, что если атмосфера Луны состоит из атомов, которые испарились и взвешены в воздухе, более легкие изотопы этих атомов должны легче подниматься, в то время как более тяжелые изотопы с большей вероятностью осядут обратно в почву.

Более того, ученые прогнозируют, что ударное испарение и ионное распыление должны привести к совершенно разным пропорциям изотопов в почве. Конкретное соотношение легких и тяжелых изотопов, оставшихся в почве, как для калия, так и для рубидия, должно затем раскрыть основной процесс, способствующий возникновению лунной атмосферы.

Имея все это в виду, Ни проанализировал образцы Аполлона, сначала измельчив почву в мелкий порошок, а затем растворив порошки в кислотах, чтобы очистить и изолировать растворы, содержащие калий и рубидий. Затем она пропустила эти растворы через масс-спектрометр, чтобы измерить различные изотопы калия и рубидия в каждом образце.

Команда обнаружила, что почвы содержат в основном тяжелые изотопы калия и рубидия. Исследователи смогли количественно оценить соотношение тяжелых и легких изотопов калия и рубидия, и, сравнив оба элемента, они обнаружили, что ударное испарение, скорее всего, было доминирующим процессом, посредством которого атомы испаряются и поднимаются вверх, образуя атмосферу Луны.

«При ударном испарении большая часть атомов останется в лунной атмосфере, тогда как при ионном распылении множество атомов будет выброшено в космос», — говорит Ни.

«Благодаря нашему исследованию мы теперь можем количественно оценить роль обоих процессов и сказать, что относительный вклад ударного испарения по сравнению с ионным распылением составляет примерно 70:30 или больше». Другими словами, 70% или более атмосферы Луны является продуктом ударов метеоритов, а остальные 30% — следствием солнечного ветра.

«Открытие такого тонкого эффекта является примечательным благодаря инновационной идее сочетания измерений изотопов калия и рубидия с тщательным количественным моделированием», — говорит Джастин Ху, постдок, изучающий лунные грунты в Кембриджском университете, который не участвовал в исследованиях. изучение.

«Это открытие выходит за рамки понимания истории Луны, поскольку такие процессы могут происходить и могут быть более значительными 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 ситуацию более подробно», — говорит Ни. «Для нас важно вернуть образцы с Луны и других планетарных тел, чтобы мы могли составить более четкую картину формирования и эволюции Солнечной системы».

Больше информации: Nicole Nie, Lunar Soil Record of Atmosphere Loss over Eons, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adm7074. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7074

Источник: Massachusetts Institute of Technology