Как проводили измерения учёные Apollo?
Астронавты Apollo говорили, что пыль — это проблема номер один окружающей среды на Луне и главная причина беспокойства при возвращении на Луну. Она легко поднимается и перемещается. Это может нанести серьёзный ущерб в ходе исследовательской деятельности. (О вреде лунной пыли мы писали ранее: vk.cc/9K5Fnf)
Атмосфера Луны очень разреженная, но при этом спутник Земли всё время окружён ассиметричным облаком пыли, которое образуется в результате микрометеоритной бомбардировки. Перемещение пыли по лунной поверхности может иметь естественные причины или быть вызвано действиями человека. Естественные причины — восход и заход Солнца, ультрафиолетовые лучи которого вызывают электризацию пыли, солнечный ветер или столкновение с микрометеоритами. Антропогенные -- деятельность астронавтов или роботов, посадка и взлёт космических аппаратов.
Приборы Apollo несколько раз засорялись лунной пылью, и это сказывалось на успехе всей программы. Работу сейсмометра, доставленного Apollo 11, пришлось преждевременно прекратить — он перегрелся и отключился из-за засорения пылью. Она поднялась из-за выхлопов двигателя спускаемого аппарата. А во время программы Apollo 15 при спуске на Луну пыль поднялась, и пришлось проводить посадку с нулевой видимостью. В итоге посадочный аппарат опустился на краю неглубокого кратера на склоне под углом 11 градусов (угол в 15 градусов считался предельно допустимым для безопасного взлета стартовой ступени).
Во время экспедиций Apollo 12, Apollo 14 и Apollo 15 учёные проводили серию экспериментов DDE (Dust Detector Experiment) по измерению скорости осаждения пыли, излучения заряженных частиц и температуры. Считается, что эти три фактора оказали воздействие на работу приборов, которые размещались на высоте 100 см от поверхности Луны. Измерения проводились так называемыми «лунными метеорологическими станциями», доставленными кораблями Apollo. Это солнечные элементы размером со спичечный коробок и весом 270 граммов. Из трёх мест на Луне они пересылали данные на Землю, где информация записывалась на магнитные ленты. Долгое время считалось, что записи были утеряны, однако в 2013 году они нашлись в Австралии.
В том же году Брайан О’Брин (Brian J. O'Brien) и Моник Холлик (Monique Hollick) проанализировали результаты, полученные в ходе экспериментов Apollo. Они выяснили,что верхняя граница скорости осаждения лунной пыли (передвижение которой вызвано естественными и антропогенными причинами) составляет 100 микрограммов на квадратный сантиметр в год, то есть около 1 миллиметра за 1000 лет.
Что удалось узнать китайцам?
В конце 2013 года на Луну отправился китайский луноход Chang’e 3. В рамках этой программы также проводилось исследование по измерению скорости осаждения лунной пыли. Результаты получили с помощью одного из датчиков аппарата LDD (Lunar dust detector) — кварцевых микровесов (sticky quartz crystal microbalance, SQCM). Они состоят из кварцевой пластины, сверху и снизу которой есть электроды. Когда к ним подключается переменное напряжение, пластина начинает колебаться и, при определённой частоте, наступает резонанс. Когда вещество попадает на поверхность весов, резонансная частота пластины изменяется, и на основе этого рассчитывается масса.
Весы SQCM были горизонтально установлены на ящике с регулируемой температурой в левой передней части посадочного аппарата Chang’e 3 на высоте 190 см от поверхности Луны. Его основная цель — измерение массы лунной пыли, перемещение которой было вызвано естественными факторами. Замеры проводились во время лунных дней на протяжении года. Ящик открывался на восходе и закрывался на закате при высоте Солнца в 20°. Это было необходимо, чтобы приборы не переохлаждались во время суровой лунной ночи. Исключением был первый лунный день, когда ящик открылся при высоте Солнца в 35°. В полдень также закрывалась верхняя крышка ящика, чтобы избежать перегрева инструментов.
Для точного определения массы осаждения пыли на лунной поверхности учёные откалибровали весы SQCM в ходе наземных экспериментов. Заранее была определена зависимость между изменением массы, резонансной частоты и температурой датчика. В первые 30 часов после прилунения весы SQCM были закрыты специальным щитом, чтобы уменьшить воздействие лунной пыли, движение которой было вызвано посадкой аппарата.
Как было сказано выше, в весах SQCM масса лунной пыли рассчитывалась на основе изменения резонансной частоты пластины. В ходе исследования Chang’e 3 выяснилось, что резонансная частота в значительной степени зависит от температуры. На протяжении лунного дня резонансную частоту и температуру измеряли несколько раз. А затем по каждому дню брали средний показатель.
Исследование длилось 12 лунных суток (около 11,5 земных месяцев). Однако приборы были активны не всё это время. Они включались только при определённой высоте Солнца и работали в течение нескольких земных дней. Общее время, в которое производились замеры массы, составило 121 земной день, то есть одну треть года. За это время весы SQCM насчитали накопление пыли массой 6,5 микрограммов. С учётом времени работы весов и всех поправок, китайские ученые оценили среднегодовое накопление пыли в размере 21,4 микрограммов на квадратный сантиметр. Этот показатель примерно в 5 раз меньше данных Apollo 12.
Почему данные так разнятся?
Причин расхождения результатов программ Chang’e-3 и Apollo несколько. Во-первых, аппарат Apollo 12 работал в регионе, возраст которого составляет около 240 млн лет, а место посадки Chang’e-3 — недалеко от ударного кратера, заполненного застывшей базальтовой лавой, — появилось 27-100 млн лет назад. Здесь образовалось меньше лунной пыли, и показатель её годовых осаждений тоже оказался ниже.
Во-вторых, важный фактор — характер деятельности на Луне во время измерения пыли. Посадочные аппараты Apollo взлетали с поверхности Луны, как только завершали свою задачу. Из-за ракетных выхлопов поднималось много пыли. Соответственно, показания приборов тоже были выше, чем у Chang’e-3, который на лунной поверхности был куда менее активен.
В-третьих, отличаются характеристики инструментов, которые измеряли пыль. Во время миссии Apollo выяснилось, что, когда на солнечных батареях накапливалось много лунной пыли, они получали меньше света. Из-за этого ухудшалась их работа. О’Брин отмечает, что, даже по сравнению с губительной радиацией, воздействие пыли на энергию, которую вырабатывают солнечные батареи, оказывается в разы сильнее. На основе скорости ухудшения работы батарей удалось высчитать скорость осаждения и массу лунной пыли. Однако вычисления зависели от размера и формы частиц, поэтому полученная картина оказалась приблизительной. К счастью, такую зависимость удалось предотвратить на весах SQCM. Так как масса лунной пыли рассчитывалась на основе изменения резонансной частоты пластины весов, в исследовании Chang’e 3 размер и форма частиц пыли были уже не важны.
Возможно, высота размещения инструментов также сыграла свою роль в расхождениях показателей двух программ. В случае с весами SQCM она составила 190 см от лунной поверхности, а Apollo – 100 см.
Результаты экспериментов Apollo показывают лишь верхнюю границу скорости осаждения пыли. Chang’e предоставляет более точные результаты. Вероятно, что в разных областях на Луне этот показатель будет неодинаков, однако даже те данные, которые имеются сейчас, могут оказаться очень полезными.
На сегодняшний день лунная пыль всё ещё представляет собой большую проблему для проведения исследований на Луне. Она может навредить как аппаратам и приборам, которые сейчас там работают, так и людям, которые однажды туда вернутся. Изучение свойств лунной пыли, таких как как скорость осаждения, масса и других, играет важнейшую роль для поиска способов защиты от неё. Именно программы Apollo и Chang’e положили начало решению этой непростой проблемы.
Источник: agupubs.onlinelibrary.wiley.com
Перевод: Ольга Шатерникова
