Во время лунной миссии "Аполлон-15" в 1971 году командир экипажа астронавт Дэвид Скотт уронил одновременно геологический молоток из алюминия весом 1,32 кг и перо сокола весом 0,03 кг с высоты около 1,6 метра на поверхность лунного реголита. Оба объекта достигли поверхности одновременно. Этот эксперимент подтвердил принцип эквивалентности, утверждающий, что гравитация действует на все объекты одинаково, независимо от их массы или состава.
Такой эксперимент не сработал бы на Земле. Перо сокола замедлилось бы из-за сопротивления воздуха, вызванного его большой поверхностью относительно массы. По той же причине капли дождя замедляются в воздухе и достигают конечной скорости в несколько метров в секунду, величина которой пропорциональна квадратному корню их размера. Сила трения, которая пропорциональна площади, умноженной на квадрат скорости, уравновешивает силу гравитации, пропорциональную массе. Гравитационное ускорение на поверхности Луны составляет всего 16,6% от земного, но насколько же более разрежена атмосфера Луны?
В лунной атмосфере содержится около двухсот тысяч атомов на кубический сантиметр, что в четверть квадриллиона раз меньше плотности молекул в земной атмосфере. Перед утренней пробежкой я подсчитал, что трение в лунной атмосфере должно было слегка замедлить падение пера сокола, из-за чего оно фактически достигло поверхности на треть фемтосекунды позже молотка. Если бы у Дэвида Скотта было более совершенное научное оборудование, он мог бы измерить эту крохотную задержку.
Общая масса лунной атмосферы составляет около 25 тонн. Она состоит преимущественно из гелия, неона, молекулярного водорода и аргона с небольшими примесями метана, аммиака и углекислого газа.
Из-за низкой гравитации Луны легкие молекулы, такие как водород и гелий, получают достаточно энергии от солнечного нагрева, чтобы улетучиться всего за несколько часов. Более тяжелые атомы остаются дольше, но в конечном итоге ионизируются ультрафиолетовым излучением Солнца, после чего уносятся солнечным ветром. Высокая скорость утечки лунной атмосферы предполагает наличие постоянного источника атомов и молекул, поддерживающего даже такое разреженное состояние.
Что является источником лунной атмосферы? Новая статья в журнале Science предполагает, что в долгосрочной перспективе основной источник свежих атомов и молекул в лунной атмосфере — это удары микрометеороидов. Этот вывод основан на высокоточной изотопной анализе калия и рубидия в лунных грунтах, собранных миссиями "Аполлон". В исследовании были протестированы 10 образцов лунного грунта, взятых из разных мест Луны. Результаты показали, что лунная атмосфера в основном пополняется благодаря микрометеоритным ударам, тогда как выветривание солнечным ветром вносит менее 30% в общий запас.
Микрометеороиды, представляющие собой мелкие обломки камней, сталкиваются с Луной на характерной скорости в несколько десятков километров в секунду, что сопоставимо со скоростью движения системы Земля-Луна вокруг Солнца. Эта скорость в десять раз превышает скорость ухода в 2,4 километра в секунду с поверхности Луны. В результате атомы, высвобождаемые с поверхности Луны под воздействием постоянных ударов микрометеороидов, создают облако обломков, формирующее атмосферу вокруг Луны.
Поток массы, переносимой микрометеоритами и космической пылью, составляет порядка 28 тонн в день на Земле. Площадь поверхности Луны составляет 7,4% от земной, что означает, что лунная поверхность получает около 2 тонн материала в день. Учитывая, что половина квадрата скорости столкновения в 100 раз превышает энергию гравитационного связывания на единицу массы (половина квадрата скорости ухода), обильный приток кинетической энергии от падающих микрометеороидов и пыли легко поддерживает устойчивую массу лунной атмосферы в 25 тонн ниже скорости ухода.
Одним из основных ограничений для астрономических наблюдений с Земли является оптическая плотность атмосферы и инфракрасное свечение. Молекулы, атомы и ионы атмосферы рассеивают и поглощают свет, особенно блокируя ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Благодаря разреженности лунной атмосферы и отсутствию светового загрязнения Луна предлагает гораздо более выгодную платформу для астрономических обсерваторий.
Преимущества Луны распространяются и на гравитационно-волновые обсерватории. Лунная атмосфера в миллион раз более разрежена, чем лучший вакуум, достигнутый в системах LIGO-Virgo-KAGRA, а сейсмические шумы на Луне на порядки ниже, чем на Земле. Признавая эти преимущества, в 2021 году я предложил в соавторстве с Каран Джани из Университета Вандербильта создать лунную гравитационную обсерваторию. Наши расчеты показали, что такая обсерватория сможет обнаруживать астрофизические черные дыры всех масс вплоть до времени образования первых звезд. Сегодня наше предложение превратилось в международное сотрудничество под названием Laser Interferometer Lunar Antenna (LILA), поддерживаемое 13 организациями.
Лунная атмосфера может измениться, как только люди начнут заселять Луну. В частности, когда программа NASA Artemis по созданию постоянной базы на Луне будет реализована, тяжелая техника, используемая на лунных строительных площадках, вероятно, увеличит количество атомов, молекул и пыли в лунной атмосфере. Хочется верить, что внутри построенных поселений будет возможно дышать свежим воздухом с привычным атмосферным давлением и составом: 78,08% молекулярного азота и 20,95% молекулярного кислорода.
Если вам нравится читать статьи на нашем канале и вы хотите помочь в его развитии, вы можете поддержать канал донатом: