Соавтором статьи является Юрий Цап, доктор физико-математических наук, ведущий специалист в области физики Солнца Крымской астрофизической обсерватории и единомышленник. Надеюсь, наше плодотворное сотрудничество приведет к удивительным открытиям и интересным для любознательных читателей статьям.
Рассмотрен возможный механизм образования лунных молний в результате ионизации реголита фотонами и потоком заряженных частиц солнечного ветра. Возникающий перепад температур на освещённой стороне Луны и в тени приводит к подъёму пыли на несколько метров и появлению разности потенциалов в приповерхностном слое грунта после его оседания. Вследствие этого возникают электрические разряды, наблюдаемые в виде молний в сумеречной зоне Селены.
Предложена модель возникновения лунных вспышек вследствие выброса метана из кратеров, основанная на гипотезе происхождения Луны в результате взрыва водорода гидридного ядра Земли. Модель объясняет наличие льда в затенённых кратерах, тектоническую активность, намагниченность пород и подповерхностные полости.
Солнечный ветер на Луне
Плазма солнечного ветра состоит в основном из электронов и протонов с небольшим содержанием альфа-частиц и более тяжелых положительных ионов. Концентрации электронов и протонов в солнечном ветре одинаковы и равны в среднем 7 см–3. Средняя скорость солнечного ветра в окрестности Земли составляет около 400 км/с, что соответствует плотности потока частиц плазмы около 2,4.108 см–2с–1[1].
Помимо движения от Солнца, частицы плазмы солнечного ветра совершают хаотическое тепловое движение, скорость которого, определяется массой частиц и температурой плазмы 105К. При такой температуре средняя скорость теплового движения протонов равна приблизительно 45 км/с, а электронов – 2000 км/с. Поэтому поступление электронов на поверхность тел, «обдуваемых» солнечным ветром, происходит в большей степени за счет их теплового движения, а протонов — за счет скорости направленного движения потока плазмы.
Скорость ветра может заметно варьироваться под влиянием солнечных стримеров и корональных дыр, формируемых магнитным полем солнечной короны. Потоки плазмы, а также электромагнитное излучение Солнца выбивают фотоэлектроны с поверхности Луны и ионизируют пыль лунной экзосферы, формируя плазменно-пылевую систему, в которой большую роль играют силы электростатической природы. Отметим, что вблизи орбиты Земли солнечная постоянная составляет примерно 1,37 Вт/м3, и ее значение изменяется приблизительно на 7% в течение года (с 1,41 Вт/м² в начале января до 1,32 Вт/м² в начале июля).
В момент солнечных вспышек поток возрастает в мягком рентгеновском диапазоне (1-8 А) до 100-900 мкВт/м2, что в 1000 раз больше, чем для спокойного Солнца.
Лунная пыль и её ежедневная ионизация
В тепловой равновесной плазме скорость электронов в 43 раза больше скорости ионов из-за меньших масс частиц. Следовательно, если незаряженное тело поместить в плазму, состоящую из электронов и положительных ионов с одинаковыми кинетическими энергиями, то тело начнет заряжаться отрицательно.
В дальнейшем потоки электронов и положительных ионов постепенно выравниваются за счет действия на частицы электрического поля, создаваемого отрицательно заряженным телом. Для электронов это поле будет тормозящим, и те из них, которые имеют наименьшие энергии, не смогут достичь поверхности тела. Протоны, напротив, притягиваются отрицательно заряженной поверхностью, и их поток может возрастать.
Отрицательный равновесный потенциал устанавливается при равенстве электронного и ионного потоков, поступающих на поверхность тела. Понятно, что в этом случае абсолютная величина равновесного потенциала пропорциональна температуре плазмы, поскольку с увеличением средней энергии электронов растет отрицательный потенциал, может достигать в космическом пространстве минус 15 – 20 кВ [2]. При энергиях частиц плазмы выше нескольких десятков электронвольт существенную роль в балансе токов на поверхности тела начинают играть вторично-эмиссионные токи, создаваемые электронами, которые выбиваются с поверхности падающими на нее солнечным ветром (первичными частицами) и не превышает 10 – 15 В. Также с освещенных участков поверхности Луны электроны вырываются фотонами солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений – возникает фотоэлектронный ток, который, как и вторично-эмиссионные токи, уносит с тела отрицательный заряд (Рис. 2).
Такие значения потенциала были предсказаны теоретически, а в начале 70-х годов подтверждены прямыми измерениями энергетических спектров ионов вблизи лунной поверхности.
По мере увеличения положительного потенциала тела поток уходящих с его поверхности фотоэлектронов будет уменьшаться за счет возвращения части их на поверхность тормозящим электрическим полем, а поток электронов плазмы будет несколько увеличиваться за счет более эффективного их собирания. Эти зависимости показаны на графике. Точка пересечения кривых соответствует равновесному потенциалу поверхности.
Наличие заряда на космических пылинках проявляется двояко. Во-первых, заряд влияет на движение пылинок за счет действия на них кулоновских сил со стороны заряженных частиц окружающей плазмы и сил, возникающих при движении в магнитных полях. Во-вторых, заряд пылинок может ускорять их рост из-за увеличения вероятности прилипания других пылинок к заряженной поверхности. Этому механизму отводится важная роль в некоторых гипотезах относительно происхождения Солнечной системы.
Возможно и обратное явление – разрушение мелких частиц кулоновскими силами. Разрушение произойдет, если силы взаимного отталкивания, действующие между одноименно заряженными частями тела, превысят предел механической прочности его материала. Известно также, что при напряженности электрического поля, большей 109 В/м, с отрицательно заряженной поверхности под действием кулоновских сил начинают вырываться электроны – происходит автоэлектронная эмиссия. Этот процесс является одним из физических механизмов, ограничивающих потенциалы тел в космическом пространстве. Для тела сферической формы напряженность электрического поля у поверхности равна отношению потенциала тела к его радиусу. Для каменных и железных метеороидов, например, такое условие не выполняется. Следовательно, они не могут быть разрушены электрическими силами. Но для неплотных пылевых образований, имеющих низкий предел механической прочности, пороговая напряженность электрического поля значительно меньше 109 В/м, и они могут разрушаться при увеличении заряда. Пылевые шарики диаметром 20 мкм будут разрушаться при потенциале поверхности около 100 В.
С помощью приборов космических аппаратов, доставленных на лунную поверхность, зарегистрированы пылевые потоки, движущиеся над поверхностью при восходе и заходе Солнца перпендикулярно границе свет–тень (терминатор 4 на Рис.2). Их возникновение было объяснено действием электрических сил на пылинки.
О существовании пылевых потоков над лунной поверхностью свидетельствуют и данные некоторых оптических наблюдений. Так, экипажем космического корабля «Аполлон-17» наблюдалось свечение на высотах до 100 км от поверхности Луны при восходе Солнца. А фотографии, сделанные с помощью КА «Сервейер», указывают на возникновение аналогичного свечения вблизи лунной поверхности.
Оба явления были объяснены рассеянием солнечного света на частицах лунной пыли, удерживаемых над поверхностью кулоновскими силами [2].
Данные спускаемых космических аппаратов Surveyor позволили сделать вывод, что микронные пылевые частицы могут парить приблизительно в 10–30 см от поверхности Луны. В миссиях Лунохода 2 и Apollo [4] проводились наблюдения с целью доказать существование субмикронной пыли в лунной экзосфере на высотах вплоть до 10м. Наличие субмикронной пыли над Луной подтверждают недавние наблюдения американского лунного орбитального аппарата LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer). Оказалось, что вокруг Луны, по крайней мере, на высоте от 1 до 260 км, непрерывно присутствует пылевое облако (область 3 на Рис.2).
Таким образом, вопреки имеющимся представлениям, пространство над Луной — не вакуум. Вот каковы, например, концентрации газов перед восходом Солнца (данные LACE, Lunar Atmospheric Composition Experiment): СО и CO2 — 1∙103 см−3, N2 — 8∙102 см−3, CH4 — 1∙104 см−3, а что касается инертных газов, то наличествует He — 2∙103 см−3 днем и 4∙104 см−3 ночью, и Ar — 1∙105 см−3 днем и 4∙104 см−3 ночью.
Заряженные частицы Лунной пыли, попадая в постоянно затенённые кратеры, остаются там как в ловушках, поэтому слой реголита на дне не освещённых зон будет значительно больше, чем на поверхности.
Подъем и перемещение реголита
Возникает вопрос: Какую массу реголита способно поднять излучение Солнца на 10 м над поверхностью 1 м2?
Если поток падающего солнечного излучения («инсоляция») планеты при нахождении на орбите равен Sol, то количество энергии, поглощаемой поверхностью Луны Pin, будет зависеть от альбедо и площади поперечного сечения, которое мы примем равным 1м2:
Pin=Sol. (1-A) .p.Rср2 = 1,3.1016 Вт (4)
Где Rср – средний радиус Луны, а А=0,11 — альбедо Луны.
Плотность потока кинетической энергии частиц солнечного ветра (в моменты спокойного Солнца), приблизительно можно оценить как [1]
Ein = 0,3 эрг/см2.с = 0,0003 Дж/м2.с = 0,0003 Вт/м2
Что много меньше потока фотонов.
Мощность инфракрасного излучения Pout, являющегося тепловым излучением планеты, зависит от площади поверхности объекта, согласно закону Стефана — Больцмана:
Pout=4p.Rср2.e.s.T4 = 6,62е15 Вт (5)
где e = 0,96 — излучательная способность Луны,
σ = 5,67е-8 Вт/(м2К4) — постоянная Стефана — Больцмана,
T = 238К — средняя температура поверхности Луны.
Отметим, что в (5) мы приняли излучательную способность близкой к 1, как в случае идеально излучающего абсолютно чёрного тела. Равновесная температура вычисляется в предположении баланса энергии Pin=Pout. Следовательно, для Луны:
Тэф = (Sol. (1-A)/(4.s))1/4 = 271K = -2,6 C (6)
Что на порядок меньше отмеченной выше средней Луны -35С (238К)
Вычислим часть энергии излучения, которая расходуется на нагрев и ионизацию реголита на одном квадратном метре освещенной поверхности:
DP = (Pin — Pout) / Sпов = 167 Вт/м2 (7)
Полагая, что большая часть этой энергии (90%) приходится на ионизацию и хаотическое движение, приравнивая потенциальную энергию массы М на подъем реголита на высоту h с 0,1 DP, получим:
M= 0,1DP / (М.gл) = 1 кг (8)
Где gл – ускорение свободного падения на поверхности Луны.
Соответственно с одного квадратного метра поверхности под действием солнечного ветра может быть поднято на высоту 10м не более 1 кг реголита, а на 100 м — не более 0,1 кг. Этот вывод достаточно хорошо согласуется с наблюдениями.
Локальные лунные магнитные зоны
В отличие от Земли, Луна не имеет глобального магнитного поля. Однако намагниченные породы вблизи лунной поверхности образуют небольшие локальные участки магнитного поля, которые простираются от сотен метров до сотен километров. Одним из видимых эффектов на поверхности Луны является контраст между областями, где была перемещена пыль, и более яркими зонами, защищенными магнитным полем. Изучение данных миссии ARTEMIS показывает, что своеобразные вихревые структуры на Луне, такие как вихрь Рейнер-Гамма (7,5 N, 301,4 E), представленный на рисунке, могут быть результатом взаимодействия солнечного ветра с изолированными источниками магнитного поля Луны.
Лунная гидросфера
В лунном грунте, доставленном американскими астронавтами по программе Apollo, было обнаружено около одного процента воды, но ученые из NASA не готовы были признать этот факт, противоречивший их гипотезе происхождения Луны в результате мегаимпакта. Ученые США предположили, что влага могла попасть в образцы на космическом корабле, во время его возвращения на Землю. Сейсмические эксперименты, входившие в программу Apollo, казалось, подтвердили гипотезу о сухой Луне. Удары использованных ракетных ступеней и космических кораблей о поверхность спутника Земли вызывали в его недрах, по данным регистраторов, эффект, подобный «колокольному звону». Сейсмические волны не утихали десятки минут, и это окончательно убедило ученых в отсутствии на Луне жидкой воды, которая придает недрам пластичность, способную быстро погасить сейсмическую активность.
В 1978г группа советских исследователей [4], включавшая М. В. Ахманову, Б. В. Дементьева и М. Н. Маркова из Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского АН СССР, проанализировала реголит доставленный АМС «Луна-24», методом инфракрасной спектроскопии, нашла там следы воды, кои составляли 0,1% от массы грунта, причём по мере увеличения глубины водосодержание росло. Впервые было инструментально доказано наличие воды на Луне.
В 1990-е годы к Луне отправился американский орбитальный аппарат Clementine — данные с его радара впервые дали ученым основания утверждать, что у лунных полюсов может быть водяной лед. Но только в 1998 году гамма-спектрометр на зонде Lunar Prospector показал, что в приполярных зонах в лунном грунте много водорода — и это тоже указывало на воду. С этого момента начался ренессанс исследований Луны — к спутнику отправлялись многочисленные американские, индийские, японские, китайские и даже израильские зонды, ученые получили достаточно твердые основания утверждать, что лунная вода действительно существует.
Дополнительной интриги добавил лазерный высотомер LOLA на спутнике LRO. На дне одного из самых глубоких кратеров южного полюса Луны обнаружилась поверхность с очень высокой отражающей способностью. Все выглядит так, будто до 22 процентов донной части кратера покрыто водяным льдом. В полярных кратерах, куда не попадают солнечные лучи, обозначенных зеленым кругом (Рис.4), радиоволны лучше всего. Это прямо указывает на наличие водяного льда, в отличие от относительно молодых ударных кратеров, выделенных красным цветом (Рис.4).
Есть три объяснения того, как могла появиться вода на Луне: Первый — связан с падением на поверхность метеоритов и комет, содержащих воду. Второй процесс – синтез молекул воды потоками протонов солнечного ветра и кислородом реголита. Космические лучи могли ввести ионы в лунные породы, приводя к химическим соединениям. Но все это касается только той воды, что найдена в верхних слоях реголита.
Можно предположить, что вода присутствует под корой Луны, в гораздо больших количествах, чем на поверхности, откуда она постепенно испаряется из-за низкого давления. Подтверждение вышеуказанной гипотезе нашли учёные из университета Кейс Вестерн Резерв (Case Western Reserve University), Брауновского университета (Brown University) и Института Карнеги (Carnegie Institution). Для этого они проанализировали лунный грунт, который доставили на Землю экипажами «Аполлона-15» и «Аполлона-17» в 1971 и 1972 годах соответственно. Было вычислено соотношение изотопа дейтерия относительно водорода лунного грунта и земной воды. Цифры сильно отличались от показателей соотношения дейтерия и водорода на кометах, что опровергает теорию занесения воды на Селену этими небесными телами. Альберто Саал (Alberto Saal) из Университета Брауна в Провиденсе в своих работах [5] неоднократно отмечал магматическое происхождение воды на Луне и это третий, основной источник ее происхождения.
С точки зрения гипотезы о термоядерном происхождении Луны [6], на ранней стадии формирования из пород земной мантии, выброшенных в космос, был период остаточной дегазации водорода, аналогичный земному процессу, описанным В.Н. Лариным [7].
Поднимаясь к поверхности через остывающую мантию Луны, водород, как более активный элемент, соединялся с кислородом, Поэтому, основные запасы воды в виде льда или минералов (например, Рингвудит содержит до 2.8 мас.% Н2О [8]), находятся во многочисленных полостях под поверхностью нашего спутника.
Накопление льда в более старых кратерах может свидетельствовать о раннем периоде более интенсивной дегазации водорода из недр нашего спутника. Так, в поверхностных породах северного полюса Луны обнаружено около 600 млн м3 водяного льда, а южного — около 1 млрд м3. Этого вполне хватит для нужд поселения в несколько тысяч человек (при условии рационального использования, замкнутого цикла потребления и очистки). Также важно использование лунной воды как высокоэффективного Н2/О2 топлива, что будет служить большим подспорьем в межпланетных экспедициях. Однако до лунного льда нужно еще добраться, что является задачей «Луны-25» и следующих российских лунных миссий.
Лунные молнии
Высокоэнергетические ионы и электроны солнечных космических лучей взаимодействуют с лунным грунтом, частично ионизируя его. Они накапливаются в двух слоях под поверхностью. Ионы не могут проникать глубоко, поэтому они накапливаются в реголите ближе к поверхности. Между тем более быстрые и легкие электроны аккумулируются на больших глубинах. В результате, возникает разность потенциалов и происходит электрический разряд, наблюдаемый в виде вспышки молнии. Так как реголит плохой проводник электричества, процесс протекает не особо бурно, но во время сильных солнечных бурь все же можно увидеть огромное количество молний на поверхности Луны, так как происходит пробой диэлектрика.
Изучая данные космического зонда LRO, были замечены вспышки, иногда возникающие в кратерах, в которых ранее были обнаружены большие запасы воды. Ученые зафиксировали накопление заряженных частиц и необычно высокую температуру в почве кратеров.
Молнии рождаются не над поверхностью почвы, а внутри нее, на глубине около миллиметра от поверхности. Разряды электричества интенсивно испаряют и перемешивают реголит. Тем самым, лунные молнии, наряду с метеоритами играют важную роль в изменении облика нашего спутника. По расчетам Эндрю Джордана (Andrew Jordan) из Исследовательского центра НАСА имени Эймса в Моффетт-Филд (США), вспышки молний испаряют и разрушают около 6500 тонн реголита ежегодно [9].
За Луной наблюдают не только профессиональные астрономы при помощи мощных оптических инструментов, но и астрономы-любители. За годы наблюдений, было выявлены места их преимущественного наблюдения, одно из них кратер Аристарх. Другие аномальные места — кратеры Гассенди и Платона, а также Море Кризисов. По статистике один всплеск можно увидеть за 40-50 часов наблюдений. В основном вспышки наблюдают в сумеречных или затененных районах: чем холоднее, тем дольше накапливается электричество.
Углеводороды на Луне
В 1958 году Н. А. Козырев опубликовал снимок спектра вспышки метана в кратере Альфонс [10], который В. Шихан и Т. Доббинс объявили ошибкой, ссылаясь на мнение известного американского планетолога Дж. П. Койпера. Однако тот же профессор Койпер в 1960 г. приезжал в Пулково для изучения снимков, после он извинился перед Н. А. Козыревым, сказав: «Нет сомнений, что спектры подлинные». Компетентность Дж. П. Койпера и членов Международной академии астронавтики, которые в 1970 г. наградили Н. А. Козырева золотой медалью за это открытие, едва ли можно подвергать сомнению.
Гипотеза термоядерного взрыва водорода гидридного ядра Земли, приведшего к расколу Протоконтинента по срединно-океаническим хребтам и выброса значительной массы жидкого вещества недр на орбиту спутника нашей планеты (рис.6). Исходя из этого и гипотезы изначально гидридной Земли В.Н. Ларина [7], периодические выбросы метана происходят как следствие соединения водорода с углеродом в процессе остаточной дегазации недр Луны.
Последующие выходы метана на поверхность Луны, впервые зафиксированные Н.А. Козыревым, могут наблюдаться как светлые облака или вспышки.
Выводы
- Предложен механизм образования лунных молний в результате ионизации реголита, вызванной фотонами излучения и заряженными частицами солнечного ветра.
- Установлено, что лунная пыль может подниматься над поверхностью Луны под действием электростатических сил, что хорошо согласуется с некоторыми наблюдениями.
- Наблюдаемые пылевые потоки, движущиеся над поверхностью при восходе и заходе Солнца перпендикулярно терминатору, могут быть связаны с силами электрической природы.
- Предложена модель, основанная на гипотезе происхождения Луны в результате взрыва водорода гидридного ядра Земли, которая позволяет объяснить возникновение некоторых лунных вспышек выбросами метана из лунных кратеров.
Источники:
- О.Л. Вайсберг // Солнечный ветер // Астронет. Физика космоса // 1986
- А. И. Акишин, Л. С. Новиков // Электризация космических аппаратов // НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ Космонавтика, Астрономия 3/1985 // Издательство «Знание» Москва 1985
- А. В. Захаровa, Л. М. Зеленый, С. И. Попель (ИКИ) // ЛУННАЯ ПЫЛЬ: СВОЙСТВА, ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ОПАСНОСТЬ // АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2020, том 54, № 6, с. 483–507 // 29.05.2020 г.
- В. Егоров // За водой на Луну // сайт N+1 Астрономия и Космонавтика // 21.08.18
- Alberto E. Saal, Erik H. Hauri. // Apollo rock samples capture key moments in the Moon’s early history // Science Daily, 2021; 7 (9): eabe4641 DOI: 10.1126
- Э.И. Терез, И.А. Дабахов // Термоядерная гипотеза происхождения Луны // Известия КрАО // 2023
- Ларин В.Н. // Наша Земля // М.: Агар. 2005.
- Т. Кацура, Т. Йошино, Г. Мантилаке, Т. Мацузаки // ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ОСНОВНЫХ МИНЕРАЛОВ ВЕРХНЕЙ МАНТИИ // Геология и геофизика, 2009, т. 50, № 12, с. 1470—1477
- Solar storms could spark soils at moon’s poles // Science Daily // 06.01.17
- П.Г. Куликовский // Справочник любителя астрономии // УРСС Москва // 2002
