Как правило, при первом знакомстве с земным естественным спутником мы слышим, что его сила притяжения слишком слабая, чтобы поддержать сколько-нибудь значимый слой атмосферы. Однако, согласно новому исследованию, оказывается, что Луна всё же окружена тончайшим, практически призрачным облаком газов, в состав которого входят и металлы.
Учёные впервые узнали о наличии атмосферы на Луне благодаря программе Apollo и экспериментам, проведённым астронавтами при помощи ряда научных инструментов. Слабая гравитация спутника заставляет атомы его призрачной атмосферы постоянно улетучиваться в космос, но в то же время их запас продолжает пополняться атомами с поверхности Луны. В рамках нового исследования учёные из Чикагского университета рассматривали, как именно происходит восполнение этой тончайшей экзосферы. Их ожидало совершенно неожиданное открытие о составе лунной атмосферы: сюрпризом оказалось наличие в ней щелочных металлов.
Щелочные металлы – это первая группа периодической таблицы химических элементов, в которую входит литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Почему же их присутствие на Луне удивило учёных? На Земле эти металлы известны своей реактивностью с водой, кислотными оксидами, кислотами, металлами, неметаллами и пр. Однако в случае земного спутника они ведут себя совершенно иначе. По словам ведущего автора исследования профессора Николь Ни, в лунной почве и породах щелочные металлы прочно и стабильно связаны с кислородом и другими элементами, образуя минералы. Высвобождаясь в атмосферу, они принимают форму нейтральных атомов. Луна не имеет жидкой воды или достаточно плотной атмосферы, потому там щелочные металлы могут существовать в своей элементальной форме. За счёт разрежённости лунной экзосферы их атомы могут преодолевать существенное расстояние абсолютно свободно, не сталкиваясь друг с другом.
Отсюда возникает вопрос о том, как именно атомы щелочных металлов высвобождаются из минералов в атмосферу. Исследования учёных из Чикагского университета рассмотрело разные факторы космической эрозии, свойственные земному спутнику. Этот процесс включает в себя три ключевых аспекта: воздействие на поверхность космического тела микрометеоритов, ионное распыление и фотонно-стимулированная десорбция. Всех их объединяет общая черта: нечто ударяет поверхность спутника, выбивая атомы щелочных металлов из минеральных соединений. Согласно исследованию, каждый фактор космической эрозии был тщательно изучен, однако ранее учёные так и не пришли к единому выводу об их относительном вкладе в высвобождение металлов. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи вернулись к 10 образцам лунного грунта, добытого в 1960-70-х годах в рамках программы Apollo.
Учёные проанализировали образцы на предмет относительных пропорций содержания различных изотопов калия и рубидия. Все факторы космической эрозии выбивают из минералов более лёгкие изотопы, практически не затрагивая более тяжёлые соединения. Однако под воздействием разных процессов пропорции изотопов, сохранившихся в лунной почве, заметно отличаются. Благодаря этому исследователи смогли выяснить, какой из факторов космической эрозии оказывает на поверхность спутника наибольшее влияние. Оказалось, что сильнее всего Луна теряет щелочные металлы из-за падения микрометеоритов, которые падают на её поверхность с достаточной скоростью и силой, чтобы заставить фрагменты минералов испаряться, запуская их атомы в экзосферу. Именно таким образом в лунную атмосферу попали более 65% атомов калия.
На втором месте по значимости воздействия оказалось ионное распыление. Заряженные частицы солнечного ветра непрестанно атакую поверхность Луны, высвобождая атомы щелочных металлов. Результаты данного исследования проливают свет на историю эволюции лунной атмосферы на протяжении миллиардов лет. В долгосрочной перспективе именно удары микрометеоритов играют главную роль в формировании и поддержании призрачной экзосферы нашего спутника. Учёные предполагают, что аналогичные исследования можно провести и на других объектах Солнечной системы, похожих на Луну, например, на одном из марсианских спутников – Фобосе.