Поверхность Луны постоянно обстреливает солнечный ветер — поток заряженных частиц, которые испускает Солнце. Эти высокоэнергетические ионы могут выбивать атомы из самого верхнего слоя лунного грунта. Так вокруг нашего спутника образуется невероятно разреженная газовая оболочка, которую ученые называют экзосферой. Но как именно она формируется, долгое время оставалось загадкой.

Группа исследователей из Венского технического университета вместе с международными коллегами доказала, что один из ключевых процессов — так называемое распыление под действием солнечного ветра — в предыдущих моделях сильно переоценивали. Причина проста: в старых расчетах не учитывали, что реальный лунный грунт, реголит, очень неровный и пористый. Впервые высокоточные эксперименты с использованием настоящих образцов с миссии «Аполлон-16» от NASA в сочетании с передовым 3D-моделированием позволили команде определить реальные масштабы этого явления. Результаты работы опубликованы в журнале Communications Earth & Environment.

У Луны нет плотной атмосферы, как у Земли, — поясняет профессор Фридрих Аумайр из Института прикладной физики. — Зато у нее есть экзосфера, состоящая из отдельных атомов и молекул. Понимание того, откуда берутся эти частицы, остается одной из главных задач в изучении Луны.

Ученые рассматривали два основных механизма. Либо частицы выбиваются ударами микрометеоритов, летящих с огромной скоростью, либо они высвобождаются при взаимодействии с солнечным ветрем — постоянным потоком протонов, ионов гелия и других заряженных частиц. Однако до сих пор не было надежных экспериментальных данных о том, как именно солнечный ветер распыляет реальный лунный материал.

Впервые в Венском техническом университете провели точнейшие эксперименты с настоящим лунным камнем, доставленным миссией «Аполлон-16».

С помощью специально разработанных кварцевых микрорезонаторов мы смогли измерить потерю массы лунного материала из-за бомбардировки ионами с невероятной точностью, — рассказывает Йоханнес Брётцнер, аспирант и ведущий автор исследования. — Параллельно мы запустили масштабное 3D-моделирование на суперкомпьютерном кластере, что позволило нам учесть реальную геометрию поверхности и пористость лунного реголита.

Результат оказался неожиданным: реальная скорость эрозии от солнечного ветра оказалась сильно завышена. Фактический выход вещества до десяти раз ниже, чем считалось раньше. Главная причина — структура реголита. Это пористый, рыхлый слой пыли, покрывающий Луну. Когда налетающие ионы ударяются о него, они часто теряют свою энергию в многочисленных столкновениях внутри микроскопических полостей, вместо того чтобы сразу выбивать атомы с поверхности. В итоге эффективность распыления оказывается намного ниже, чем если бы поверхность была гладкой и плотной.

Наше исследование впервые дает реалистичные, экспериментально подтвержденные данные по распылению для настоящей лунной породы, — говорит Фридрих Аумайр. — Это не только объясняет, почему ранние модели переоценивали эрозию от солнечного ветра, но и помогает разрешить одно научное противоречие.

Ранее в журнале Science Advances вышла статья, где на основе изотопного анализа образцов с «Аполлона» пришли к выводу, что за геологические временные масштабы главный источник лунной экзосферы — это не солнечный ветер, а удары микрометеоритов. Новые экспериментальные данные независимо подтверждают этот вывод, только с совершенно другой точки зрения.

Эти открытия крайне важны для текущих и будущих космических миссий. Программа NASA «Артемида» открывает новую эру в исследовании Луны, а миссия BepiColombo от ESA и JAXA в ближайшие годы проведет первые прямые измерения экзосферы Меркурия. Чтобы правильно интерпретировать эти данные, нужно досконально понимать механизмы эрозии поверхности. Именно здесь исследование венских ученых вносит решающий вклад.

Польза этого исследования выходит далеко за рамки академического интереса. Оно имеет прямое прикладное значение для долгосрочного присутствия человека на Луне. Понимание того, как именно солнечный ветер взаимодействует с реголитом, критически важно для прогнозирования деградации материалов лунных баз, солнечных панелей и скафандров. Если эрозия меньше, это потенциально увеличивает срок их службы. Кроме того, экзосфера напрямую влияет на условия для астрономических наблюдений с Луны. Меньшая концентрация частиц, поднятых солнечным ветром, означает более «чистое» небо для телескопов. Наконец, это меняет наши представления о динамике поверхности безвоздушных тел, что ключево для поиска и добычи водяного льда в полярных регионах Луны — основного ресурса для будущих колоний.

Основное замечание касается репрезентативности образцов. Исследователи использовали грунт с миссии «Аполлон-16», которая приземлилась в материковом регионе Луны. Однако лунная поверхность неоднородна. Существуют обширные моря (марии), сложенные из другого типа базальтов, а также уникальные породы в полярных областях. Их реакция на бомбардировку солнечным ветром может отличаться. Таким образом, хотя исследование бесценно, его выводы не обязательно можно экстраполировать на всю Луну без проведения дополнительных экспериментов с образцами из других локаций.

Ранее ученые нашли способ добывать воду и кислород на Луне.