Поверхность Луны может быть не просто пыльным и бесплодным ландшафтом. За миллиарды лет крошечные частицы из атмосферы Земли оседали в лунном грунте, создавая возможный источник жизненно важных веществ для будущих астронавтов. Однако учёные только недавно начали понимать, как эти частицы совершают долгий путь от Земли до Луны и как долго этот процесс продолжается.
Новое исследование, проведённое в Рочестерском университете, опубликованное в Communications Earth & Environment, показывает, что магнитное поле Земли может фактически помогать направлять атмосферные частицы, переносимые солнечным ветром, в космос, а не блокировать их. Поскольку магнитное поле Земли существует миллиарды лет, этот процесс мог стабильно перемещать частицы от Земли к Луне в течение очень длительных периодов времени.
«Комбинируя данные о частицах, сохранившихся в лунном грунте, с компьютерным моделированием взаимодействия солнечного ветра с атмосферой Земли, мы можем проследить историю атмосферы Земли и её магнитного поля», — говорит Эрик Блэкман, профессор кафедры физики и астрономии и выдающийся учёный в Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета (LLE).
Результаты исследования предполагают, что лунный грунт может не только содержать долгосрочную запись об атмосфере Земли, но и быть ещё более ценным, чем думали учёные, для будущих космических исследователей, живущих и работающих на Луне.
Грунт, привезённый на Землю миссиями «Аполлон» в 1970-х годах, предоставил учёным важные подсказки. Исследования этих образцов показали, что пыльная поверхность Луны, называемая реголитом, содержит летучие вещества, такие как вода, углекислый газ, гелий, аргон и азот. Некоторые из этих летучих веществ поступают из постоянного потока заряженных частиц Солнца, известного как солнечный ветер. Но их количество, особенно азота, слишком велико, чтобы это объяснялось только солнечным ветром.
В 2005 году группа под руководством исследователей из Токийского университета предположила, что часть летучих веществ могла поступить из атмосферы Земли. Они утверждали, что это могло произойти только в то время, когда у Земли ещё не было магнитного поля, поскольку считали, что магнитное поле предотвратило бы выход атмосферных частиц в космос.
Но исследователи из Рочестерского университета обнаружили, что процесс может работать по-другому.
Команда из Рочестерского университета, включая Шубхонкара Параманика, аспиранта кафедры физики и астрономии и стипендиата Хортона в LLE; Джона Тардуно, профессора Уильяма Р. Кенана-младшего в департаменте наук о Земле и окружающей среде; и Джонатана Кэрролла-Нелленбека, учёного-компьютерщика в Центре интегрированных вычислительных исследований и доцента кафедры физики и астрономии, использовала передовые компьютерные симуляции для моделирования того, как и когда реголит мог приобрести элементы, обнаруженные в образцах «Аполлона».
Исследователи протестировали два сценария. Один моделировал «раннюю Землю» без магнитного поля и при более сильном солнечном ветре. Другой моделировал «современную Землю» с сильным магнитным полем и более слабым солнечным ветром. Симуляции показали, что перенос частиц лучше всего работает в сценарии «современной Земли».
В этом случае заряженные частицы из атмосферы Земли выбиваются солнечным ветром и направляются вдоль линий магнитного поля Земли. Некоторые из этих линий простираются достаточно далеко в космос, чтобы достичь Луны. За миллиарды лет этот эффект «направления» помог крошечным количествам атмосферы Земли оседать на поверхности Луны.
Долгосрочный обмен частицами означает, что на Луне может храниться химическая запись об атмосфере Земли. Изучение лунного грунта может дать учёным редкую возможность заглянуть в то, как климат, океаны и даже жизнь на Земле эволюционировали за миллиарды лет.
Долгосрочный стабильный перенос частиц также предполагает, что лунный грунт содержит больше летучих веществ, чем считалось ранее. Такие элементы, как вода и азот, могут поддерживать длительное присутствие человека на Луне, снижая необходимость транспортировки припасов с Земли и делая исследование Луны более осуществимым.
«Наше исследование может также иметь более широкие последствия для понимания раннего атмосферного ухода на таких планетах, как Марс, у которого сегодня нет глобального магнитного поля, но которое имело его в прошлом, подобно Земле, наряду с, вероятно, более толстой атмосферой», — говорит Параманик. «Изучая эволюцию планет наряду с атмосферным уходом в разные эпохи, мы можем получить представление о том, как эти процессы формируют обитаемость планет».
Предоставлено Рочестерским университетом.