Мы когда-то думали, что на Луне нет воздуха, но оказалось, что у нее есть атмосфера. Еще более дико: у него есть собственный хвост.
Ключевые выводы
- На протяжении большей части астрономической истории Луна была образцом того, как должен выглядеть безвоздушный и лишенный атмосферы мир.
- Несмотря на то, что там нет воздуха для дыхания, там есть атмосфера из частиц, которую мы однозначно обнаружили.
- Кроме того, у Луны есть хвост, состоящий из атомов натрия, который раз в месяц впадает в Землю.
По ряду очень веских причин вы не ожидаете, что на Луне есть атмосфера. По сравнению с планетами, имеющими плотную атмосферу, такими как Земля, Венера и даже Марс, масса Луны чрезвычайно мала. Имея всего 1,2% массы Земли, он все еще может принимать сфероидальную форму, но его гравитация на поверхности довольно слабая: всего одна шестая земной. Точно так же у Луны скорость убегания намного ниже, чем у нашей планеты. Учитывая его высокие дневные температуры, поскольку он получает такое же количество солнечного света, как и верхние слои атмосферы Земли, очень легко «вытолкнуть» любые газообразные частицы на несвязанные гравитационные орбиты.
Учитывая такое сочетание факторов, неудивительно, что мы предположили, что на Луне нет воздуха. На самом деле, комбинация излучения и частиц Солнца, известная как солнечный ветер, обладает достаточной энергией, поэтому, если бы мы доставили значительную часть земной атмосферы на Луну, потребовалось бы менее миллиона лет, прежде чем она была бы полностью уничтожена. раздели. Все основные атмосферные газы Земли, включая азот, кислород, аргон, двуокись углерода, водяной пар, метан и другие, ускользнули бы за пределы Луны, даже если бы их там было в избытке.
И все же у Луны действительно есть атмосфера: ее можно измерить и обнаружить. Кроме того, у него есть кое-что даже лучше атмосферы: атмосферный «хвост» из атомов натрия. Вот удивительная наука, стоящая за разреженной, но значимой атмосферой нашего лунного компаньона, которую мы больше не должны игнорировать.
Фотография с лунного разведывательного орбитального аппарата места посадки Аполлона-17. Отчетливо видны следы лунного вездехода (LRV), как и сам аппарат. Также можно увидеть оборудование и пешеходные дорожки космонавтов, если вы знаете, куда смотреть и какие особенности искать. Подобные фотографии существуют для каждой из посадочных площадок Аполлона.
Луна является наиболее хорошо изученным человечеством миром, кроме Земли. Когда Луна закрывает фоновые звезды или планеты, мы не обнаруживаем поглощения атмосферой переднего плана, поскольку фоновый источник затмевается Луной. Когда мы приземлились на Луне, установленные нами инструменты не смогли обнаружить даже следов газов, которые могли бы там присутствовать. И, возможно, самое убедительное доказательство из всех, когда мы сфотографировали различные места посадки Аполлона примерно через 50 лет после того, как люди ступили на поверхность Луны, мы увидели, что лунная поверхность осталась неизменной, даже дорожки астронавтов и следы лунохода.
Миры с атмосферой, даже такие тонкие, как Марс, не сохраняют детали поверхности с таким уровнем детализации очень долго. Любые ветры подметают частицы на поверхности, такие как марсианский песок или лунный реголит, и осаждают их случайным образом. Тот факт, что все эти особенности остаются неизменными после столь долгого времени, говорит нам о том, что если у Луны действительно есть атмосфера, она должна быть невероятно тонкой, разреженной и трудно обнаруживаемой. Тем не менее, наши полеты на Луну действительно дали нам сильный намек на то, почему на Луне должна быть атмосфера, и эта идея подчеркивается при каждом лунном взлете и посадке, которые мы проводили.
Отсутствие атмосферы и низкая поверхностная гравитация Луны позволяют легко сбежать, как это делает здесь модуль Аполлона-17. На Земле мы должны бороться с сопротивлением воздуха и разгоняться примерно до 25 000 миль в час (40 000 км в час), чтобы избежать гравитации нашей планеты. Чтобы сбежать с Луны, нет сопротивления воздуха в бою, а скорость убегания составляет всего около 20% от земной.
Всякий раз, когда что-либо воздействует на лунную поверхность или оказывает на нее большую силу, пусть даже кратковременно, это должно заставить свободно удерживаемые частицы, покрывающие эту поверхность, набрать энергию и импульс. Чем больше количество энергии передается Луне, тем больше:
- количество подброшенных частиц
- количество энергии, сообщаемой каждой частице
- расстояние и высота, на которые пролетят эти частицы
- время, в течение которого они будут оставаться в подвешенном состоянии над лунной поверхностью, прежде чем вернуться на нее
- количество частиц, которые действительно ускользнут от гравитационного притяжения Луны
Этот эффект возникает при таких незначительных столкновениях, как посадка ракеты или повторный запуск возвращаемого модуля, когда речь идет о Луне. Но эффект никоим образом не ограничивается деятельностью человека. Когда мы изучаем лунную поверхность, мы можем ясно видеть огромные детали, такие как ударные кратеры, лучи выброса, гористый рельеф и котловины и т. д., которые указывают не только на бурное прошлое Луны, но и на ее бурное настоящее.
Во время лунного затмения 21 января 2019 года на Луну упал метеорит. Яркая вспышка, видимая здесь в верхнем левом углу лимба Луны, была очень короткой, но ее запечатлели как любители, так и профессиональные астрономы и фотографы. Эти метеоритные удары ответственны за создание временной, разреженной, но непрерывной атмосферы из тонких атомов и ионов на Луне.
Совершенно ясно, что на протяжении всей истории Солнечной системы не только ударные события играли гораздо большую роль, чем любая деятельность человека, в создании лунной атмосферы - разреженной и преходящей, как может быть, но также и то, что ненаблюдаемые столкновения, вероятно, имеют гораздо больше общего с атмосферой Луны, чем все, что мы наблюдаем. Например, поскольку система Земля-Луна каждый год совершает свой революционный путь вокруг Солнца, она проходит через значительное количество потоков мусора, оставшихся от комет и астероидов, пересекающих нашу орбиту. Орбиты заполнены крошечными частицами, вызывающими метеоритный дождь, когда они сталкиваются с Землей.
Но на Луне, на которой отсутствует плотная и газообразная атмосфера, как у Земли, все эти обломки сталкиваются с лунным реголитом. Когда это происходит, он поднимает обломки точно так же, как ракета или метеорит: частицы всех размеров и масс отправляются в облако над Луной, где они остаются до тех пор, пока либо не будут выброшены из-под гравитационного притяжения Луны, либо не осядут обратно на Землю. лунная поверхность. Каждая отдельная атмосферная частица может быть не особенно долгоживущей, поскольку она остается в атмосфере, но постоянное пополнение гарантирует, что, даже если это может быть трудно обнаружить, Луна, безусловно, должна обладать непрерывной атмосферой поднятых частиц.
Вид множества метеоров, падающих на Землю в течение длительного периода времени, показан одновременно с земли (слева) и из космоса (справа). Те же потоки обломков, которые воздействуют на Землю в течение года, воздействуют и на Луну, и, хотя они создают в основном атмосферные явления на Земле, предполагается, что эти удары создают большую часть самой лунной атмосферы., НАСА (справа); Wikimedia Commons)
Итак, что происходит, когда эти частицы с лунной поверхности поднимаются вверх и образуют своего рода атмосферу вокруг Луны? Они подвержены тем же солнечным явлениям, которые влияют на все на Земле: солнечному ветру, то есть фотонам, составляющим солнечное излучение, и энергичным заряженным частицам, испускаемым Солнцем. Кроме того, хотя мы обычно не задумываемся об этом, солнечная корона не просто ограничена областью вокруг Солнца, но простирается через огромную область космоса, охватывая при этом и Землю, и Луну.
Благодаря Солнцу первое, что происходит с частицами, поднятыми с лунной поверхности, обычно состоит в том, что ультрафиолетовые фотоны, являющиеся частью солнечного излучения, ионизируют атомы и молекулы, удерживающие на их крайние электроны наиболее слабо. Как только эти частицы теряют хотя бы один электрон, они становятся положительно заряженными, как и большинство самих частиц солнечного ветра. Затем солнечный ветер и излучение могут разогнать эти ионы вдали от Солнца, а магнитное поле, пронизывающее Солнечную систему, чьи линии прочерчены солнечной короной, будет удерживать эти частицы в относительной коллимации, не давая им отклониться далеко от траектории, указывает прямо от Солнца.
Солнечные корональные петли, подобные тем, которые наблюдались спутником NASA Transition Region And Coronal Explorer (TRACE) здесь в 2005 году, следуют по пути магнитного поля на Солнце. Когда эти петли «разрываются» правильным образом, они могут испускать корональные выбросы массы, которые потенциально могут столкнуться с Землей и Луной. Хотя ее трудно обнаружить, солнечная корона простирается за пределы орбиты Земли.
Как только будет установлено существование лунной атмосферы, взаимодействия этих атмосферных частиц с различными компонентами Солнца будут вести себя совсем иначе, чем атмосфера Земли. Здесь, на Земле, мы вообще не испытываем заметного воздействия солнечного ветра, во многом благодаря существованию нашего собственного магнитного поля. С активным динамо, все еще присутствующим в ядре нашей планеты, мы генерируем собственное магнитное поле, которое окутывает всю планету, а затем и некоторые из них.
Любые заряженные частицы Солнца обычно отклоняются от планеты нашим магнитным полем, за исключением частиц, которые направляются на нашу планету в областях, окружающих наши магнитные полюса. Это защитное магнитное поле в значительной степени отклоняет солнечный ветер, вплоть до внутреннего и внешнего поясов Ван Аллена, в десятках тысяч километров от Земли. Таким образом, удается избежать эффекта обдирки, который в противном случае вызвал бы на Земле солнечный ветер.
Однако на мирах без глобального магнитного поля, таких как Марс или Луна, такого типа атмосферной защиты не существует.
Земля справа имеет сильное магнитное поле, защищающее ее от солнечного ветра. Такие миры, как Марс (слева) или Луна, не подвержены ударам энергетических частиц, испускаемых Солнцем, которые продолжают уносить переносимые по воздуху частицы с этих миров. Даже Луна, у которой почти нет атмосферы, со временем продолжает ее терять; его необходимо постоянно пополнять. Во время солнечной вспышки обдирание планетарных атмосфер может быть увеличено в ~20 раз.
В итоге получается, что самые легкие и наиболее легко ионизуемые частицы - это те, которые получают ускорение из разреженной «атмосферы» Луны и удаляются в направлении, противоположном Солнцу. В относительно спокойный период на нашем космическом заднем дворе:
- серьезных столкновений с Луной не будет
- усиления тел, сталкивающихся с Луной, не будет
- солнечный ветер будет в норме
- атмосфера Луны по-прежнему будет существовать, но будет очень тонкой
От этой базовой линии могут быть только улучшения. Сильное столкновение может поднять обломки, окружающие Луну, что значительно увеличит плотность ее атмосферы. Во время интенсивного метеоритного дождя на Земле Луна будет подвергаться бомбардировке частицами с исключительно высокой скоростью, и, если метеоры движутся быстро (например, Персеиды или Леониды), будет поднято еще большее количество лунного реголита. А во время солнечной вспышки, например, в результате солнечной вспышки или выброса корональной массы, солнечный ветер может быть усилен примерно в 20 раз, что значительно увеличивает скорость и последствия столкновений с частицами в лунной атмосфере.
Модели натриевого хвоста Луны и то, как его яркость должна восприниматься наблюдателями на Земле, внизу, по сравнению с наблюдаемой яркостью частиц натрия, испускаемых Луной и наблюдаемых на Земле, вверху. Теоретические модели и симуляции эффектно совпадают с тем, что наблюдается, указывая на успешную модель.
Даже в обычное, спокойное и неактивное время это слияние эффектов должно привести к созданию лунного хвоста: множества частиц, которые отрываются от Луны и всегда следуют за ней, ускоряя от направления, обращенного к Солнцу. Когда частицы подняты вверх, ультрафиолетовые фотоны Солнца могут их ионизовать, а затем столкновения с частицами, радиация и электромагнитные эффекты могут эффективно разогнать эти частицы от Солнца.
Ключевым полигоном для этого должен быть элемент натрия. Основные химические элементы, присутствующие в лунном реголите, следующие: кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, кальций, титан и железо. Кислород, самый легкий из этих элементов (под номером 8), очень крепко удерживает свои электроны, поэтому его довольно трудно ионизировать. Однако следующим самым легким элементом из них является натрий. Как щелочной металл, он имеет только один электрон в своей валентной оболочке, что делает его очень легко ионизируемым. Поскольку это всего лишь 11-й элемент в периодической таблице, его также должно быть легко разогнать до космической скорости.
Если эта картина Луны и ее атмосферы верна, это должно означать, что раз в месяц, прямо во время новолуния, мы сможем увидеть эффекты этих ионизированных атомов натрия, исходящих из Луна и столкнулись с земной атмосферой, создав при этом натриевое пятно на Луне.
Слева: вид ночного неба камерой всего неба с Земли во время новолуния. Хорошо видны звезды и Млечный Путь. На том же изображении с вычтенными звездами (справа) отчетливо видно натриевое лунное пятно, которое затем можно увидеть на левом изображении, куда указывает желтая стрелка. Эта функция появляется только во время новолуния.
Впервые наблюдаемое в 1998 году во время очень активного метеорного потока Леониды, натриевое лунное пятно появляется прямо вокруг новолуния, проявляя максимальную яркость примерно через 5 часов после фазы максимальной «новости». Эта особенность обычно имеет диаметр около 3 ° на небе, что примерно в шесть раз больше диаметра самой Луны, но гораздо более размыто. Пятно кажется более ярким во время лунного перигея, когда Луна находится максимально близко к Земле во время новой фазы, и самым тусклым в лунном апогее, когда Луна находится на максимальном расстоянии от Земли.
Кроме того, поскольку Луна движется вверх и вниз примерно на 5,2° относительно плоскости, в которой Земля вращается вокруг Солнца, она будет самой яркой, когда Солнце, Луна и Земля выровнены. лучше всего: когда Луна ближе всего к тому, чтобы быть в той же плоскости - в то же время, когда это случайно для затмений - в отличие от того, когда Луна находится дальше всего от этой плоскости.
На самом деле, когда лунный натриевый хвост проходит через Землю, сама Земля искажает хвост из-за как гравитационных, так и магнитных эффектов. Гравитация является более мощным эффектом, и она фокусирует и искажает этот натриевый хвост точно так же, как движение большого пальца над потоком садового шланга искажает поток воды.
Когда Луна проходит между Землей и Солнцем, даже если выравнивание слишком плохое для затмения, натриевый хвост Луны может взаимодействовать с Землей. Земля под действием гравитации нарушает траекторию движения хвоста, фокусируя и искажая его, как палец, скользящий по концу садового шланга.
Тот факт, что натриевое пятно на Луне, наблюдаемое на Земле, так сильно освещено метеоритной активностью, убедительно свидетельствует о том, что именно удары этих метеорных потоков являются движущей силой создания большинства атмосфера Луны. Атмосфера Луны создается не самыми сильными кратерами, а наиболее распространенными и непрерывными. Пока космос остается наполненным ультрафиолетовым излучением и частицами солнечного ветра, исходящими от Солнца, эта атмосфера будет порождать пятно натрия на Луне, видимое всякий раз, когда Земля пересекает путь этого устойчивого лунного хвоста.
Это еще одна увлекательная иллюстрация того, насколько все в Солнечной системе взаимосвязано друг с другом. На поверхность Луны воздействуют крошечные частицы: фрагменты комет и астероидов, которые прошли через внутреннюю часть Солнечной системы и до сих пор вращаются по гигантским эллипсам, пересекающим орбиту Земли. Наиболее легкие из этих частиц дольше всего остаются во взвешенном состоянии, а атомы натрия среди них легко ионизируются. Радиационное давление от Солнца затем ускоряет их от Солнца - подобно ионному хвосту кометы - и когда Солнце, Луна и Земля правильно выровнены во время новолуния, они могут создать пятно натриевой Луны, которое видно на Земле. небо.
У Луны есть не только атмосфера, но и лунный хвост. Благодаря нашему пониманию Вселенной вокруг нас, мы можем всесторонне объяснить почему.