Лунная экзосфера

Лунная экзосфера — это крайне разрежённая газовая оболочка Луны, плотность которой настолько мала, что атомы и молекулы практически не сталкиваются друг с другом. По своим физическим характеристикам она относится к типу поверхностных экзосфер, где газообразное вещество сосредоточено вблизи поверхности небесного тела и не удерживается гравитацией в виде единой, плотной атмосферы. Лунная экзосфера является одной из самых разрежённых газовых оболочек в Солнечной системе: её общая масса оценивается всего в несколько десятков тонн, а давление у поверхности не превышает 10⁻¹² Па (примерно в 10¹⁴ раз меньше земного атмосферного давления на уровне моря).

История изучения

Долгое время Луна считалась полностью лишённой какой-либо газовой оболочки. Первые предположения о существовании крайне разрежённой атмосферы были высказаны в середине XX века на основе наблюдений поляризации лунного света и аномалий в движении космических аппаратов.

Наблюдения с Земли и ранние теории

В 1950-х годах советский астроном Николай Козырев предпринял попытки обнаружить спектральные линии газов вблизи лунной поверхности, но результаты оказались спорными. В 1959 году советская станция «Луна-2» впервые зафиксировала отсутствие заметной атмосферы, передав данные о магнитном поле и радиационной обстановке.

Эпоха космических аппаратов

Систематическое изучение экзосферы началось с программы «Аполлон» (США). Астронавты миссий «Аполлон-12», «Аполлон-14» и «Аполлон-15» установили на поверхности Луны приборы — лунные масс-спектрометры (LACE), которые впервые напрямую измерили состав газов. Эти приборы зафиксировали наличие гелия, аргона, неона и следов других элементов. В 1970-х годах советские автоматические станции «Луна-20» и «Луна-24» также проводили анализы состава лунного грунта, косвенно указывавшие на газовыделение.

Современные исследования

В XXI веке изучение экзосферы активизировалось благодаря миссиям Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO, NASA, запущен в 2009 году) и Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, NASA, 2013–2014). Аппарат LADEE был специально спроектирован для анализа состава и динамики лунной экзосферы. Он подтвердил наличие натрия, калия, кальция, а также зафиксировал сезонные изменения концентрации аргона-40. В 2019 году китайский аппарат «Чанъэ-4» и его луноход «Юйту-2» начали изучение экзосферы на обратной стороне Луны.

Состав и источники

Лунная экзосфера состоит из смеси нейтральных атомов, молекул, ионов и пылевых частиц. Основные компоненты и их примерные концентрации (по данным миссии LADEE):

Источники вещества

• Солнечный ветер — поток заряженных частиц (в основном протонов и альфа-частиц) от Солнца. Имплантируясь в лунный реголит, они частично высвобождаются обратно в виде нейтральных атомов гелия и водорода.
• Радиоактивный распад — в лунной коре содержится калий-40, который распадается с образованием аргона-40. Этот газ мигрирует к поверхности и поступает в экзосферу.
• Ударное испарение — при падении микрометеоритов (размером от микрометров до миллиметров) происходит локальное испарение реголита, в результате которого в экзосферу выбрасываются натрий, калий, кремний и другие элементы.
• Фотостимулированная десорбция — под действием ультрафиолетового излучения Солнца атомы натрия и калия, адсорбированные на поверхности частиц реголита, отрываются и переходят в газовую фазу.
• Выход газов из недр — хотя Луна тектонически неактивна, медленная дегазация коры (например, выделение аргона) продолжается.

Физические свойства и динамика

Разрежённость и бесстолкновительность

Из-за крайне низкой плотности длина свободного пробега частиц в лунной экзосфере составляет от нескольких километров до сотен километров. Это означает, что атомы и молекулы движутся по баллистическим траекториям, не сталкиваясь друг с другом. Газовое давление у поверхности не превышает 10⁻¹² Па.

Температура

Температура экзосферы не является равновесной, так как частицы не обмениваются энергией при столкновениях. Различают:

• Кинетическую температуру — характеризует среднюю скорость частиц. Для гелия и водорода она может достигать 1000–3000 К, так как эти лёгкие атомы легко разгоняются солнечным ветром и ультрафиолетом.
• Эффективную температуру — рассчитывается по распределению частиц по высоте. Для аргона-40 она составляет около 400–500 К на дневной стороне.

Суточные и сезонные вариации

Концентрация газов сильно зависит от времени лунных суток (около 29,5 земных суток). На дневной стороне, под воздействием солнечного излучения и нагрева поверхности, десорбция и испарение усиливаются, что приводит к увеличению плотности экзосферы в 2–5 раз по сравнению с ночной стороной. Аргон-40, наоборот, накапливается на ночной стороне из-за конденсации при низких температурах (до −180 °C). Кроме того, во время прохождения Луны через хвост магнитосферы Земли (на 5–6 дней каждый месяц) поток солнечного ветра блокируется, что снижает концентрацию гелия и водорода.

Взаимодействие с поверхностью

Атомы экзосферы постоянно сталкиваются с поверхностью Луны. При ударе о реголит они могут:

• адсорбироваться (прилипнуть) — особенно для тяжёлых элементов (натрий, калий);
• отразиться обратно, если энергия удара достаточно велика;
• внедриться в частицы грунта (имплантация).

Пылевая компонента

Лунная экзосфера содержит также взвешенные пылевые частицы размером от 0,1 до 10 мкм. Их источник — микрометеоритная бомбардировка, которая дробит реголит и выбрасывает мелкие фрагменты. Пыль может подниматься на высоту до 100 км и более за счёт электростатических сил, возникающих под действием ультрафиолетового излучения и солнечного ветра. Наличие пылевой компоненты было подтверждено наблюдениями миссий LADEE и «Чанъэ-3». Пыль представляет потенциальную опасность для космической техники, так как может оседать на солнечных батареях, оптике и механизмах.

Отличие от атмосферы Земли

Лунная экзосфера принципиально отличается от земной атмосферы:

• Плотность — в 10¹⁴ раз меньше.
• Столкновительность — на Земле частицы сталкиваются миллиарды раз в секунду, на Луне — практически никогда.
• Удержание — Земля удерживает атмосферу гравитацией, Луна не способна удержать даже самые лёгкие газы (водород и гелий покидают её за несколько часов).
• Состав — земная атмосфера на 78% состоит из азота, на 21% — из кислорода; лунная — из гелия, аргона, натрия и калия.
• Вертикальная структура — у Земли есть тропосфера, стратосфера и т.д.; у Луны — только экзосфера, которая начинается прямо от поверхности.

Значение для науки и освоения Луны

Изучение лунной экзосферы важно для нескольких направлений:

• Планетология — понимание процессов взаимодействия солнечного ветра с безатмосферными телами, эволюции газовых оболочек в Солнечной системе.
• Поиск ресурсов — аргон-40 может быть извлечён для использования в качестве рабочего тела в ионных двигателях. Гелий-3, потенциально присутствующий в следовых количествах, рассматривается как топливо для термоядерного синтеза.
• Безопасность миссий — пылевая компонента экзосферы может вызывать электростатические разряды, засорять фильтры и ухудшать тепловой режим аппаратов. Для пилотируемых миссий необходимо учитывать воздействие пыли на здоровье космонавтов.
• Астрономические наблюдения — крайне разрежённая экзосфера не мешает работе оптических и радиотелескопов на поверхности Луны, что делает её перспективной площадкой для размещения астрономических обсерваторий.

Источники

1. Stern, S. A. (1999). «The lunar atmosphere: History, status, current problems, and context». Reviews of Geophysics, 37(4), 453–491.
2. Colaprete, A., et al. (2016). «The Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) Mission». Space Science Reviews, 200(1–4), 1–18.
3. Benna, M., et al. (2015). «Lunar exosphere: Composition, sources, and dynamics from LADEE observations». Science, 350(6260), aac6871.
4. Grün, E., et al. (2011). «The lunar dust environment». Planetary and Space Science, 59(14), 1672–1680.
5. Данные миссий «Аполлон» (NASA), «Луна» (СССР), «Чанъэ» (Китай).