У Луны может не быть особой атмосферы, в основном из-за ее слабого гравитационного поля (была ли у нее существенная атмосфера миллиарды лет назад, неизвестно). спорный). Однако считается, что в настоящее время он сохраняет свою разреженную атмосферу, также известную как экзосфера, из-за ударов метеоритов.
Космические камни бомбардируют Луну на протяжении 4,5 миллиардов лет ее существования. Исследователи из Массачусетского технологического института и Чикагского университета обнаружили, что образцы лунного грунта, собранные астронавтами в эпоху Аполлона, свидетельствуют о том, что метеориты, от огромных метеоров до микрометеоритов размером не больше пылинок, запустили устойчивый поток атомов в экзосферу.
Хотя некоторые из этих атомов улетают в космос, а другие падают обратно на поверхность, те, что остаются над Луной, создают тонкую атмосферу, которая постоянно пополняется по мере того, как все больше метеоритов падают на ее поверхность.
«В течение длительного времени испарение при ударе микрометеоритов является основным источником атомов в лунной атмосфере», — заявили исследователи в исследовании, недавно опубликованном в журнале Science Advances.
Готов к запуску
Когда в 2013 году НАСА отправило свой орбитальный аппарат LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) на Луну, миссия была направлена на выяснение происхождения атмосферы Луны. LADEE наблюдал больше атомов в атмосфере во время метеоритных дождей, что предполагало, что столкновения как-то связаны с атмосферой. Однако это оставило вопросы о механизме, который преобразует энергию удара в диффузную атмосферу.
Чтобы найти эти ответы, группе исследователей из Массачусетского технологического института и Чикагского университета под руководством профессора Николь Ни из Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института необходимо было проанализировать изотопы элементов в лунном грунте, которые наиболее восприимчивы к воздействию микрометеоритов. Они выбрали калий и рубидий.
Ионы калия и рубидия особенно подвержены двум процессам: ударному испарению и ионному распылению.
Испарение под действием удара происходит из-за столкновения частиц на высоких скоростях и генерации экстремального количества тепла, которое возбуждает атомы достаточно, чтобы испарить материал, в котором они находятся, и отправить их в полет. Ионное распыление включает в себя высокоэнергетические удары, которые освобождают атомы без испарения. Атомы, которые высвобождаются при ионном распылении, как правило, имеют больше энергии и движутся быстрее, чем те, которые высвобождаются при ударном испарении.
Любой из них может создавать и поддерживать лунную атмосферу после падения метеоритов.
Итак, если атомы, отправленные в атмосферу путем ионного распыления, имеют энергетическое преимущество, то почему исследователи обнаружили, что большинство атомов в атмосфере на самом деле образуются в результате ударного испарения?
Прикасаюсь обратно вниз
Поскольку образцы лунного грунта, предоставленные НАСА, ранее содержали количественные данные о более легких и тяжелых изотопах калия и рубидия, команда Ли использовала расчеты, чтобы определить, какой процесс столкновения с большей вероятностью не позволит различным изотопам покинуть атмосферу.
Исследователи обнаружили, что атомы, переносимые в атмосферу путем ионного распыления, направляются на таких высоких энергиях, что они часто достигают скорости убегания — минимальной скорости, необходимой для того, чтобы вырваться из и без того слабой гравитации Луны, — и продолжают свое путешествие в космос. Атомы, которые оказываются в атмосфере, в конце концов, также могут быть потеряны из атмосферы.
Доля атомов, достигающих скорости выхода после испарения при ударе, зависит от температуры этих атомов. Более низкие уровни энергии, связанные с испарением при ударе, приводят к более низким температурам, что снижает вероятность выхода атомов.
«Испарение в результате удара является основным долгосрочным источником образования лунной атмосферы, вероятно, на его долю приходится более 65 процентов атмосферного [potassium] «Это атомы, а ионное распыление отвечает за остальное», — заявили Ли и ее команда в том же исследовании.
Есть и другие способы, которыми атомы теряются в лунной атмосфере. В основном это более легкие ионы, которые имеют тенденцию задерживаться в экзосфере, а ионы падают обратно на поверхность, если они слишком тяжелые. Другие фотоионизируются электромагнитным излучением солнечного ветра и часто уносятся в космос частицами солнечного ветра.
То, что мы узнали о лунной атмосфере через лунный грунт, может повлиять на исследования других тел. Уже было обнаружено, что испарение при ударе запускает атомы в экзосферу Меркурийкоторый тоньше лунного. Изучение марсианского грунта, который может быть доставлен на Землю с помощью миссий по возвращению образцов в будущем, также может дать больше информации о том, как метеоритные удары влияют на атмосферу.
По мере приближения новой эры пилотируемых лунных миссий Луна может рассказать нам больше о том, откуда берется ее атмосфера и куда она уходит.
Достижения науки, 2024. DOI: 10.1126/sciadv.adm7074