Исчезнут ли следы астронавтов на Луне?

Когда люди посетили Луну в первый (и до сих пор единственный) раз в конце 1960-х и начале 1970-х годов в рамках программы Аполлон, мы не только привезли с собой фотографии и образцы, но и оставили неоспоримые доказательства нашего присутствия там. Помимо научного и исследовательского оборудования, такого как лунные ретрорефлекторы, лунные роверы, сейсмометры и многое другое, мы оставили свой след на Луне совершенно иным способом: в виде следов, троп и колеи от роверов. Визуальные доказательства нашего присутствия все еще можно увидеть с современных лунных орбитальных аппаратов, и они выглядят практически неизменными с момента их создания.

На этом культовом изображении один из первых следов на Луне, сделанный астронавтом Аполлона-11 Нилом Армстронгом. Этот след, а также тропы астронавтов и следы, оставленные луноходом, в большинстве случаев, скорее всего, сохранятся в течение миллионов лет.

Но будут ли эти следы существовать вечно или, по крайней мере, достаточно долго, чтобы они исчезли? Это хочет знать Марк Шульц, написав:

"Многие люди считают, что эти следы будут существовать миллионы лет. Я лично считаю, что они разрушатся относительно быстро. Позвольте мне предложить несколько причин для разрушения следов... [Удары, лунотрясения, тепловое расширение/сжатие, статическое электричество, солнечные события, солнечное и космическое излучение и т. д.] Короче говоря, исходя из всех упомянутых эффектов, мне кажется, что разрушение следов должно происходить в более короткие сроки, а не в более длительные."

Нет сомнений в том, что эти следы не будут вечными. Но как долго они просуществуют, зависит от важности каждого из этих эффектов. Давайте рассмотрим научные детали и выясним!

Аполлон 12 совершил первую точную посадку людей на Луне, и мы исследовали гораздо большую часть лунной поверхности, чем во время первой посадки. Темно-серые отметки на поверхности - это следы астронавтов, которые выдержали испытание временем на Луне, поскольку процессы, которые стирают их на Земле, отсутствуют на Луне.

Важно, если вы хотите знать, какие эффекты возникают из различных источников, быть количественным: определить влияние каждого рассматриваемого вами источника. Только отвечая на ключевые вопросы о том,

-каково влияние этих событий,

- насколько часто они происходят,

- и как сравниваются различные события друг с другом, мы можем начать отвечать на вопрос, например, "как долго это (вероятно) будет присутствовать на лунной поверхности?"

Хотя существует множество способов рассмотрения проблемы, я думаю, что самый простой подход - это рассмотреть три способа, которыми эти следы, тропы и колеи от роверов могут быть стерты.

Они могут быть насильственно уничтожены, немного за раз или все сразу, в результате энергичных столкновений, происходящих от внешних (нелунных) источников. Они могут быть стерты, как в стиле "этч-а-скетч", из-за тряски, вибрации или другого переустройства частиц на лунной поверхности. Или они могут постепенно покрываться какой-то формой осадков, например, падением атмосферных частиц. Разделяя вещи на эти общие категории, мы можем рассматривать многие вероятные эффекты, объединенные вместе, вместо того чтобы заниматься отдельными проблемами.

Лунный горизонтальный свет, показанный здесь на изображении, сделанном космическим аппаратом Клементина в 1990-х годах, был виден многократно во время миссии Аполло, но его существование считалось сомнительным, пока не было полностью разработано объяснение лунной атмосферы. Это не произошло до 1998 года, когда были открыты лунное пятно натрия и натриевый хвост, исходящий от Луны.

Насильственное уничтожение

Хотя Луна находится в космосе, далеко от Земли, это никоим образом не означает, что она в безопасности от космического водоворота, кружащегося в нашей галактике. У нас есть, все сразу: мельчайшие частицы пыли, путешествующие по Солнечной системе, опасные каменистые тела (например, астероиды) и ледяные тела (например, кометы), космические лучи, и частицы, испускаемые Солнцем, а также излучение. Мы можем видеть, из сильно ударенной кратерами лунной поверхности, что ранее в истории нашей Солнечной системы насильственные удары были более обычным явлением, как и большие удары. Тот факт, что мы видим меньше кратеров в (молодых) лунных морях — темных регионах, которые были заполнены лавовыми потоками, которые не покрывали лунные высокогорья — а также «меньшие кратеры, наложенные на старые, большие кратеры», говорит нам о том, что скорость ударов на Луне уменьшилась со временем, и что особенно крупные удары чрезвычайно редки в наши дни.

Вид множества метеоров, падающих на Землю в течение длительного периода времени, показанный одновременно с земли (слева) и из космоса (справа). Те же потоки мусора, которые воздействуют на Землю в течение года, также воздействуют на Луну, и хотя они создают в основном атмосферные явления на Земле, есть подозрение, что эти воздействия создают большую часть самой лунной атмосферы.

На Земле мы хорошо осведомлены о том, что около 33 метрических тонн (около 73 000 фунтов) материала, практически исключительно в виде метеороидов, ударяют по нашей планете ежедневно. Этот показатель увеличивается, когда планета Земля проходит через поток обломков кометы или астероида: причина каждого известного метеорного дождя, который происходит в нашем мире, но 33 метрические тонны в день - это примерно то, что мы испытываем как долгосрочный средний показатель.

У Луны есть небольшое преимущество перед Землей: она физически меньше, и это делает ее меньшей мишенью для этих ударов. Предполагая, что относительная геометрия Земли и Луны является единственным важным фактором, мы могли бы ожидать, что Луна будет поражена с частотой около 7,5% от скорости, с которой поражается Земля, без особого предпочтения направления или местоположения этих ударов. Это соответствует примерно 2460 килограммам (5430 фунтов) метеороидного материала, ударяющего по Луне ежедневно. (Хотя некоторые исследования утверждают гораздо меньшее число.)

Это быстро движущийся материал, с более медленными метеороидами, движущимися со скоростью около 20 000 м/с (45 000 миль/ч) и более быстрыми, достигающими скорости ~72 000 м/с (160 000 миль/ч). Помните, что каждый раз, когда происходит столкновение, больше энергии приводит к более разрушительному удару, при этом кинетическая энергия пропорциональна массе, но пропорциональна квадрату скорости удара.

Эти графики показывают распределение микрометеороидов по размеру, а также разбивку размера в зависимости от типа. Большинство частиц представляют собой сферулы, и они доминируют силикатами.

Это пугающе, в некотором смысле. Если даже метеороид весом 5 килограммов (11 фунтов) ударит по Луне, он создаст кратер ~9 метров (30 футов), выбрасывая около 75 000 кг (165 000 фунтов) лунного материала над поверхностью Луны. Однако, как вы можете видеть на приведенных выше рисунках, взятых из исследования 2020 года метеороидов, найденных на Земле, почти все известные нам метеороиды малы, размером менее миллиметра. Даже с таким большим количеством из них, ударяющих по Луне каждый год — несколько триллионов этих миниатюрных ударов — площадь поверхности Луны составляет фантастические 38 миллионов квадратных километров: почти размером с Азию.

Эти частицы в основном меньше 0,0001 грамма, и хотя каждый удар может выкопать примерно в 1000 раз больше массы, чем ударник с поверхности Луны, потребуется от 4 миллионов до 100 миллионов лет, чтобы эти микрометеороидные удары стерли типичный ~1 см глубиной след или колею от ровера с случайного местоположения на Луне. Более масштабные удары слишком редки по числу или частоте, чтобы иметь что-либо, кроме незначительного эффекта. Это определенно намекает на то, что эти следы будут сохраняться миллионы лет, по крайней мере, основываясь только на ударах.

Во время лунного затмения 21 января 2019 года метеорит ударил по Луне. Яркая вспышка, видимая здесь в верхней левой части края Луны, была чрезвычайно краткой, но была зафиксирована как любителями, так и профессиональными астрономами и фотографами. Эти метеорные удары ответственны за создание временной, тонкой, но непрерывной атмосферы из тонких атомов и ионов на Луне.

Что насчет других значимых событий?

На уровне частиц также возникают солнечные частицы из солнечного ветра, солнечных вспышек и корональных выбросов масс. Есть излучение, или фотоны различных энергий, которые исходят от Солнца. Есть космические фоны излучения всех длин волн, от гамма-лучей до радиоволн, которые ударяют по каждому объекту в космосе. И есть также космические частицы, известные как космические лучи, также с широким спектром энергий, которые ударяют по каждому объекту, включая Луну.

Каково влияние этих ударов?

Если бы Луна была богата легкими, летучими элементами и соединениями — водородом, метаном, аммиаком, водой и т. д. — эффекты были бы значительными, поскольку они передавали бы им достаточно энергии, чтобы дать им высокоскоростные толчки, отправляя их на орбиту вокруг Луны и даже позволяя им сбежать из гравитации Луны.

Там, где Луна получает прямой солнечный свет, эти летучие вещества давно уже испарились и сублимировались. Но если мы объединим эффекты этих источников излучения и ветра с упомянутыми ударами, они действительно могут сделать что-то удивительное с Луной: создать "хвост" из ионов натрия!

Когда Луна проходит между Землей и Солнцем, даже если выравнивание слишком плохо для затмения, натриевый хвост Луны может взаимодействовать с Землей. Земля гравитационно нарушает путь хвоста, фокусируя и искажая его, как палец, движущийся по концу бегущего садового шланга.

Наиболее распространенные элементы в самом верхнем слое лунной почвы — кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, кальций, титан и железо. Когда происходят удары, они выбрасывают все эти элементы, а затем, когда на них светит прямой солнечный свет, натрий — пример того, что химически называется щелочным металлом — легко теряет свой внешний (валентный) электрон. В отличие от других легких элементов, которые более плотно удерживают свои электроны, легкоионизируемый натрий может затем ускоряться солнечным ветром. Когда происходит солнечная вспышка или корональный выброс масс, этот хвост может значительно увеличиваться по величине.

Этот натриевый хвост всегда присутствует, но его трудно наблюдать с Земли, за исключением периода новой Луны. Когда происходит метеорный дождь, на Луне происходит больше ударов, и когда это совпадает с солнечной вспышкой или корональным выбросом масс, натриевый хвост может усилиться до ~20 раз ярче, чем в обычные периоды.

Натриевый лунный хвост также учит нас, как следствие, что именно самые маленькие удары, в отличие от более крупных, менее частых, создают подавляющее большинство атмосферы Луны.

Эта визуализация в цветовом коде показывает свечение от натрия в лунной атмосфере. Свет с поверхности Луны был заблокирован телескопом, использованным для этого изображения, но размер, положение и фаза Луны показаны на наложенном изображении в центре. Рэлеи, которые определяют показанную цветовую шкалу, являются мерой яркости.

Что насчет лунной атмосферы, оседающей вниз?

Здесь, на Земле, на уровне моря средняя плотность нашей атмосферы составляет около 10¹⁹ молекул на кубический сантиметр. На Луне средняя плотность в 10 триллионов раз меньше, всего один миллион молекул или атомов на кубический сантиметр. Когда аполлоновские ракеты взлетали с Луны, они увеличивали плотность лунной атмосферы примерно на 20%, что указывает на то, как слабо удерживается поверхностный слой Луны.

К сожалению, большинство этих частиц представляют собой благородные газы, которые не будут осаждаться на поверхность. Это только выброшенные обломки будут это делать. Хотя, как и удары и метеорные дожди увеличивают концентрацию лунной атмосферы, возможно, что продолжающееся исследование Луны — включая с людьми, роверами, посадочными аппаратами и возвращающимися ракетами — ускорит темп, с которым особенности на Луне, включая следы, тропы и колеи от роверов, постепенно исчезнут с поверхности. Только одна миссия, подобная Артемиде, каждый год, совершающая посадку и затем взлет с Луны, могла бы потенциально сократить время, в течение которого эти созданные человеком особенности на Луне сохраняются: с миллионов лет до сотен тысяч или даже десятков тысяч лет.

Между 1969 и 1972 годами астронавты Аполлона установили на Луне сейсмометры для измерения лунотрясений. Хотя сейсмометр Аполлона 11 прекратил передачу данных всего через 3 недели работы, сейсмометры, установленные на борту Аполлона 12, 14, 15 и 16, верно передавали данные обратно на Землю до 1977 года.

Наконец, что насчет лунных сейсмических событий?

Это, возможно, удивительно, является наибольшей долгосрочной неизвестностью. С тех пор, как мы установили сеть сейсмометров на Луне во время эпохи Аполлона, мы обнаружили, что существуют, по крайней мере, четыре разных типа лунотрясений:

глубокие лунотрясения, эпицентр которых находился как минимум на глубине 700 км, вероятно, вызванные приливами, вызванными Землей, поверхностные вибрации, вероятно, вызванные ударом метеоритов, тепловые трясения, вызванные расширением и сжатием Луны во время ее суточного цикла, и мелкие лунотрясения, происходящие с эпицентрами ~20 или 30 километров под поверхностью. Первые три типа лунотрясений незначительны по сейсмической (Рихтеровой) шкале: мягкие, безвредные и неспособные перестроить частицы на лунной поверхности.

Но мелкие лунотрясения регистрировались до 5.5 по шкале Рихтера, содержа в тысячи раз больше энергии, чем все другие типы лунотрясений, вместе взятые. В отличие от Земли, где даже самые мощные землетрясения прекращают тряску примерно через ~2 минуты, эти мелкие лунотрясения продолжаются более 10 минут за раз. Эти представляют наибольшие неизвестные для долговечности следов астронавтов, троп и колей от роверов, поскольку долгое, мощное землетрясение, эпицентр которого находится прямо под одной из этих особенностей, может стереть их.

Фотография с Лунного разведывательного орбитального аппарата места посадки Аполлона 17. Четко видны следы Лунного ровера (LRV), как и само транспортное средство.

В течение своего ~8-летнего существования сейсмическая сеть Аполлона зарегистрировала 28 таких высокомагнитудных мелких лунотрясений. Недавние исследования показывают, что сама Луна довольно активна, возможно, даже с активными разломами. За последние несколько сотен миллионов лет Луна сократилась примерно на 50 метров (160 футов), поскольку ее интерьер охлаждался, разрушая, нарушая и перестраивая лунную кору.

Тем не менее, один из эпицентров большой магнитуды лунотрясения, который был воссоздан, произошел всего в 13 километрах (8 милях) от места посадки Аполлона 17, и тем не менее следы астронавтов и колеи лунного транспортного средства от этой миссии остались невредимыми.

По мере нашего знания, нарушения, сделанные людьми в лунной почве, действительно будут сохраняться миллионы лет в большинстве мест, с редкими крупными ударами или крупными, правильно расположенными лунотрясениями, стирающими эти особенности. Осаждение ударных обломков, присутствие космических лучей, солнечных явлений и космической погоды, а также различия в тепловых свойствах Луны в ночное/дневное время имеют незначительные эффекты на лунную поверхность в целом. Однако остается небольшой простор для мелких лунотрясений, и встает большой вопрос о том, как увеличенная человеческая активность на Луне может ускорить стирание этих классических особенностей.

Это наиболее доминирующие эффекты, которые будут определять, как долго эти особенности поверхности на Луне будут существовать, и если удары действительно доминируют — как это показывают современные данные — то эти следы действительно будут существовать миллионы лет.