Космическое выветривание — это тип выветривания , которое происходит с любым объектом, подвергающимся воздействию суровых условий космического пространства . Тела без атмосферы (включая Луну , Меркурий , астероиды , кометы и большинство спутников других планет) подвергаются множеству процессов выветривания:
Космическое выветривание важно, поскольку эти процессы влияют на физические и оптические свойства поверхности многих планетарных тел. Поэтому крайне важно понимать последствия космического выветривания, чтобы правильно интерпретировать данные дистанционного зондирования.
Большая часть наших знаний о процессе космического выветривания получена из исследований лунных образцов, доставленных программой «Аполлон» , особенно лунного грунта (или реголита ). Постоянный поток частиц высокой энергии и микрометеоритов , наряду с более крупными метеоритами, измельчает , плавит, распыляет и испаряет компоненты лунного грунта.
Первыми продуктами космического выветривания, обнаруженными в лунных грунтах, были «агглютинаты». Они создаются, когда микрометеориты плавят небольшое количество материала, который объединяет окружающее стекло и минеральные фрагменты в сварной стеклянный агрегат размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Агглютинаты очень распространены в лунном грунте и составляют от 60 до 70% зрелых почв. [1] Эти сложные частицы неправильной формы кажутся человеческому глазу черными, во многом из-за присутствия нанофазного железа .
Космическое выветривание также производит продукты, коррелирующие с поверхностью отдельных зерен почвы, такие как брызги стекла; имплантированный водород , гелий и другие газы; следы солнечных вспышек ; и аккрецированные компоненты, включая нанофазное железо. Лишь в 1990-х годах усовершенствованные инструменты, в частности трансмиссионные электронные микроскопы , и методы позволили обнаружить очень тонкие (60-200 нм) патины или ободки, которые образуются на отдельных зернах лунного грунта в результате переотложения. паров от ударов близлежащих микрометеоритов и переотложения материала, распыленного из близлежащих зерен. [2]
Эти процессы выветривания оказывают большое влияние на спектральные свойства лунного грунта, особенно в ультрафиолетовом , видимом и ближнем инфракрасном (УФ/Видимом/БИК) диапазоне волн . Эти спектральные изменения во многом объясняются включениями «нанофазного железа», которое является повсеместным компонентом как агглютинатов, так и почвенных кайм. [3] Эти очень маленькие (от одного до нескольких сотен нанометров в диаметре) пузырьки металлического железа образуются, когда железосодержащие минералы (например, оливин и пироксен ) испаряются, а железо высвобождается и переоткладывается в своей естественной форме.
На Луне спектральные эффекты космического выветривания носят тройной характер: по мере взросления лунной поверхности она становится темнее (альбедо уменьшается ), краснее (отражательная способность увеличивается с увеличением длины волны), а глубина ее диагностических полос поглощения уменьшается [4]. Эти эффекты во многом обусловлены наличием нанофазного железа как в агглютинатах, так и в сросшихся каймах на отдельных зернах. Эффект затемнения космического выветривания легко увидеть, изучая лунные кратеры. Молодые, свежие кратеры имеют яркую систему лучей , поскольку они обнажили свежий, невыветрившийся материал, но со временем эти лучи исчезают, поскольку процесс выветривания затемняет материал.
Считается, что космическое выветривание также происходит на астероидах, [5] хотя окружающая среда сильно отличается от Лунной. Удары в поясе астероидов происходят медленнее и, следовательно, создают меньше расплава и пара. Кроме того, меньше частиц солнечного ветра достигают пояса астероидов. И, наконец, более высокая частота ударов и более низкая гравитация меньших тел означает, что происходит большее переворачивание, а возраст воздействия на поверхность должен быть моложе, чем у лунной поверхности . Поэтому на поверхности астероидов космическое выветривание должно происходить медленнее и в меньшей степени.
Тем не менее, мы видим доказательства астероидного космического выветривания. В течение многих лет в сообществе планетологов существовала так называемая «загадка», поскольку в целом спектры астероидов не совпадают со спектрами нашей коллекции метеоритов. В частности, спектры астероидов S-типа не совпадали со спектрами наиболее распространенного типа метеоритов — обычных хондритов (ОС). Спектры астероидов имели тенденцию быть более красными с крутой кривизной в видимых длинах волн. Однако Бинцель и др. [6] идентифицировали околоземные астероиды со спектральными свойствами, охватывающими диапазон от S-типа до спектров, аналогичных таковым у метеоритов OC, что позволяет предположить, что происходит продолжающийся процесс, который может изменить спектры материала OC, чтобы они выглядели как астероиды S-типа. Есть также свидетельства изменения реголита в результате пролетов Галилея над Гаспре и Идой , показывающие спектральные различия в свежих кратерах. Со временем спектры Иды и Гаспра краснеют и теряют спектральный контраст. Данные рентгеновских измерений Эроса , проведенные NEAR Shoemaker , указывают на обычный состав хондрита, несмотря на красный наклон спектра S-типа, что еще раз позволяет предположить, что какой-то процесс изменил оптические свойства поверхности. Результаты, полученные космическим кораблем Хаябуса на астероиде Итокава , также имеющем состав обычного хондрита, демонстрируют спектральные свидетельства космического выветривания. Кроме того, убедительные доказательства изменения космического выветривания были обнаружены в зернах почвы, доставленных космическим кораблем «Хаябуса». Поскольку Итокава настолько мал (диаметр 550 м), считалось, что низкая гравитация не позволит развить зрелый реголит, однако предварительное исследование возвращенных образцов выявило наличие нанофазного железа и других эффектов космического выветривания на нескольких зерна. [7] Кроме того, есть свидетельства того, что на каменных поверхностях астероида могут образовываться и появляются налеты выветривания. Такие покрытия, вероятно, похожи на патину, обнаруженную на лунных камнях. [8]
Есть основания полагать, что большая часть изменений цвета из-за выветривания происходит быстро, в течение первых ста тысяч лет, что ограничивает полезность спектральных измерений для определения возраста астероидов. [9]
Окружающая среда на Меркурии также существенно отличается от Луны. Во-первых, днем значительно жарче ( дневная температура поверхности Луны ~100 °C, на Меркурии ~425 °C) и холоднее ночью, что может изменить продукты космического выветривания. Кроме того, из-за своего местоположения в Солнечной системе Меркурий также подвергается несколько большему потоку микрометеоритов, которые падают с гораздо более высокими скоростями, чем Луна. В совокупности эти факторы делают Меркурий гораздо более эффективным, чем Луна, в создании расплава и пара. Ожидается, что на единицу площади в результате ударов по Меркурию образуется в 13,5 раз больше расплава и в 19,5 раз больше пара, чем на Луне. [10] Агглютинитные стеклоподобные отложения и паровые покрытия должны создаваться на Меркурии значительно быстрее и эффективнее, чем на Луне.
УФ-видимый спектр Меркурия, наблюдаемый в телескоп с Земли, примерно линейный, с красным наклоном. Полосы поглощения, характерные для железосодержащих минералов, например пироксена, отсутствуют. Это означает, что либо на поверхности Меркурия железа нет, либо железо в железосодержащих минералах выветрилось до нанофазного железа. Покрасневший склон мог бы быть объяснен выветрившейся поверхностью. [11]