Лунный грунт — это мелкая фракция лунного реголита , обнаруженная на поверхности Луны и вносящая вклад в разреженную атмосферу Луны . Лунная почва по своему происхождению и свойствам существенно отличается от земной почвы .
Будучи тонким поверхностным слоем Луны, лунная почва подхватывается даже слабыми природными явлениями, активными на поверхности Луны, что позволяет ей быть частью скудной лунной атмосферы. Его легко потревожить, и он представляет значительную опасность для открытого оборудования и здоровья человека. Мелкий лунный грунт состоит из острых и очень липких частиц с отчетливым пороховым вкусом и запахом. Тем не менее, лунный грунт исследуется как лунный ресурс , особенно для использования на месте Луны , например, в качестве лунного строительного материала и почвы для выращивания растений на Луне .
Лунный грунт представляет собой прежде всего результат механического выветривания . Непрерывные метеоритные удары и бомбардировка лунной поверхности солнечными и межзвездными заряженными атомными частицами на протяжении миллиардов лет измельчали базальтовую и анортозитовую породу, реголит Луны, во все более мелкий лунный грунт. Эта ситуация фундаментально контрастирует с образованием земной грязи, опосредованным присутствием молекулярного кислорода (O 2 ), влажности, атмосферного ветра и целого ряда биологических процессов, способствующих этому.
Лунный грунт обычно относится только к более мелкой фракции лунного реголита , которая состоит из зерен диаметром 1 см или меньше, но часто используется как взаимозаменяемый термин. [1] Лунная пыль обычно означает даже более мелкие материалы, чем лунный грунт . Официального определения того, какая фракция представляет собой «пыль», не существует; некоторые считают, что диаметр границы составляет менее 50 мкм , а другие - менее 10 мкм. [ нужна цитата ]
Основными процессами, участвующими в формировании лунного грунта, являются :
Эти процессы продолжают изменять физические и оптические свойства грязи с течением времени, и это известно как космическое выветривание .
Кроме того, фонтанирование огня, при котором вулканическая лава поднимается и охлаждается в виде маленьких стеклянных шариков, прежде чем выпасть обратно на поверхность, может создавать небольшие, но важные отложения в некоторых местах, таких как оранжевая грязь, обнаруженная в кратере Шорти в долине Таурус-Литтроу . Аполлон-17 и зеленое стекло, найденное в Хэдли-Апеннинах Аполлоном -15 . [ нужна цитата ] Отложения вулканических шариков также считаются источником отложений темной мантии (DMD) в других местах вокруг Луны. [2]
Есть некоторые свидетельства того, что на Луне есть тонкий слой движущихся частиц пыли, которые постоянно поднимаются вверх и падают обратно на поверхность Луны, создавая «пылевую атмосферу», которая выглядит статичной, но состоит из частиц пыли, находящихся в постоянном движении. Термин «Лунный фонтан» использовался для описания этого эффекта по аналогии с потоком молекул воды в фонтане, следующим по баллистической траектории, но при этом выглядящим статичным из-за постоянства потока. Согласно модели, предложенной в 2005 году Лабораторией внеземной физики Центра космических полетов имени Годдарда НАСА , [ 3] это вызвано электростатической левитацией . На дневной стороне Луны жесткое солнечное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достаточно энергично, чтобы выбивать электроны из атомов и молекул лунного грунта. Положительные заряды накапливаются до тех пор, пока мельчайшие частицы лунной пыли (размером 1 микрометр и меньше) не отталкиваются от поверхности и не поднимаются на высоту от нескольких метров до километров, при этом мельчайшие частицы достигают самых больших высот. В конце концов они падают обратно на поверхность, где процесс повторяется. На ночной стороне пыль отрицательно заряжена электронами солнечного ветра . Действительно, модель фонтана предполагает, что на ночной стороне будет большая разница в электрическом напряжении , чем на дневной, что, возможно, приведет к выбросу частиц пыли на еще большие высоты. [4] Этот эффект может быть еще больше усилен на той части орбиты Луны, где она проходит через хвост магнитосферы Земли , часть магнитного поля Луны . [5] На терминаторе между дневной и ночной областями могут образовываться значительные горизонтальные электрические поля, приводящие к горизонтальному переносу пыли – форме «лунной бури». [4] [6]
Этот эффект предвидел в 1956 году писатель-фантаст Хэл Клемент в своем рассказе «Тряпка для пыли», опубликованном в журнале Astounding Science Fiction . [4]
Есть некоторые доказательства этого эффекта. В начале 1960-х годов «Сервейор-7» [7] и несколько предшествующих ему космических аппаратов «Сервейер» , мягко приземлившихся на Луну, вернули фотографии, демонстрирующие безошибочно узнаваемое сумеречное свечение низко над лунным горизонтом, сохраняющееся после захода Солнца. [4] Более того, вопреки ожиданиям безвоздушных условий и отсутствия атмосферной дымки, далекий горизонт между землей и небом не выглядел резким, как бритва. Астронавты Аполлона-17, вращавшиеся вокруг Луны в 1972 году, неоднократно видели и зарисовывали то, что они по-разному называли «полосами», «стримерами» или «сумеречными лучами», примерно за 10 секунд до восхода или заката Луны. О таких лучах также сообщили астронавты на борту Аполлона 8, 10 и 15. Они могли быть похожи на сумеречные лучи на Земле. [4]
Аполлон-17 также провел на поверхности Луны эксперимент под названием LEAM , сокращенно от Lunar Ejecta и Meteorites. Он был разработан для поиска пыли, поднятой небольшими метеороидами, падающими на поверхность Луны. У него было три датчика, которые могли регистрировать скорость, энергию и направление крошечных частиц: по одному, направленному вверх, на восток и запад. LEAM каждое утро видел большое количество частиц, в основном приходящих с востока или запада, а не сверху или снизу, и в основном со скоростью, меньшей, чем ожидалось для лунных выбросов. Кроме того, температура в эксперименте повышалась почти до 100 градусов по Цельсию через несколько часов после каждого лунного восхода, поэтому установку приходилось временно отключать из-за перегрева. Предполагается, что это могло быть результатом того, что электрически заряженная лунная пыль прилипла к LEAM, затемнив его поверхность, поэтому экспериментальная установка поглощала, а не отражала солнечный свет. [6] Однако учёные не смогли точно определить источник проблемы, поскольку LEAM работал лишь недолго до окончания программы «Аполлон». [8]
Вполне возможно, что эти бури были замечены с Земли: на протяжении веков поступали сообщения о странных светящихся огнях на Луне, известных как « Переходные лунные явления » или TLP. Некоторые TLP наблюдались как мгновенные вспышки, которые в настоящее время считаются видимым свидетельством столкновения метеороидов с лунной поверхностью. Но другие проявлялись в виде аморфного красноватого или беловатого свечения или даже в виде темных туманных областей, которые меняют форму или исчезают в течение секунд или минут. Возможно, это было результатом отражения солнечного света от взвешенной лунной пыли. [6]
Хотя Луна имеет слабую атмосферу, движение транспорта и воздействие человеческой деятельности на Луну могут привести к тому, что облака лунного грунта распространится далеко по Луне и, возможно, загрязнят исходное состояние Луны и ее особое научное содержание. [9]
Из-за бесчисленных ударов метеоритов (со скоростью около 20 км/с) поверхность Луны покрывается тонким слоем пыли. Пыль электрически заряжена и прилипает к любой поверхности, с которой соприкасается.
Плотность лунного реголита составляет около 1,5 г/см 3 и увеличивается с глубиной. [10]
Другие факторы, которые могут повлиять на свойства лунного грунта, включают большие перепады температур , наличие жесткого вакуума и отсутствие значительного лунного магнитного поля , что позволяет заряженным частицам солнечного ветра постоянно ударяться о поверхность Луны.
Сообщается, что он пробует и пахнет отработанным порохом , но он на него не похож. [11]
Лунный грунт состоит из различных типов частиц, включая обломки горных пород, мономинеральные фрагменты и различные виды стекол, включая частицы агглютината, вулканические и ударные сферы. [12] Агглютинаты образуются на лунной поверхности в результате ударов микрометеоритов, которые вызывают мелкомасштабное плавление, в результате которого соседние материалы сплавляются вместе с крошечными пятнышками элементарного железа, встроенными в стеклянную оболочку каждой частицы пыли. [13] Со временем материал перемешивается как по вертикали, так и по горизонтали (процесс, известный как «садоводство») в результате ударных процессов. Вклад материала из внешних источников относительно незначителен, так что состав грязи в любом данном месте в значительной степени отражает местный состав коренных пород.
Есть два глубоких различия в химическом составе лунного реголита и грязи от земных материалов. Во-первых, Луна очень сухая. В результате минералы, в состав которых входит вода ( минеральная гидратация ), такие как глина , слюда и амфиболы , отсутствуют на поверхности Луны. [14] Второе отличие состоит в том, что лунный реголит и кора химически восстанавливаются , а не значительно окисляются, как земная кора. В случае с реголитом это отчасти связано с постоянной бомбардировкой лунной поверхности протонами солнечного ветра. Одним из последствий является то, что железо на Луне находится в элементарной (0) и катионной (+2) степенях окисления, [15] тогда как на Земле железо встречается в основном в степенях окисления +2 и +3.
Исследование НАСА 2005 года перечислило 20 рисков, которые требуют дальнейшего изучения, прежде чем люди решат отправиться в экспедицию на Марс, и назвало «пыль» проблемой номер один. В отчете содержится призыв к изучению его механических свойств, коррозионной активности, песчанистости и воздействия на электрические системы. Большинство ученых считают, что единственный способ дать окончательный ответ на эти вопросы — это вернуть на Землю образцы марсианской грязи и камня задолго до запуска астронавтов. [8]
Хотя в этом отчете речь шла о марсианской пыли, опасения в равной степени справедливы и в отношении лунной пыли. Пыль, обнаруженная на поверхности Луны, может оказать вредное воздействие на любую технику человеческого аванпоста и членов экипажа: [17] [18] [19]
Принципы космонавтической гигиены следует использовать для оценки рисков воздействия лунной пыли во время исследования поверхности Луны и тем самым определения наиболее подходящих мер по контролю воздействия. К ним могут относиться снятие скафандра в трехступенчатом шлюзе, «пылесос» скафандра магнитом [20] перед снятием, использование местной вытяжной вентиляции с высокоэффективным сажевым фильтром для удаления пыли из атмосферы космического корабля. [21]
Вредные свойства лунной пыли малоизвестны. На основе исследований пыли, обнаруженной на Земле, ожидается, что воздействие лунной пыли приведет к большему риску для здоровья как в результате острого, так и хронического воздействия. Это связано с тем, что лунная пыль более химически активна и имеет большую площадь поверхности, состоящую из более острых зазубренных краев, чем земная пыль. [22] Если химически активные частицы откладываются в легких, они могут вызвать респираторное заболевание. Длительное воздействие пыли может вызвать более серьезное респираторное заболевание, похожее на силикоз . Во время освоения Луны скафандры космонавтов загрязняются лунной пылью. При снятии костюмов пыль будет выброшена в атмосферу. Методы, используемые для смягчения воздействия, будут включать обеспечение высокой скорости рециркуляции воздуха в шлюзовой камере, использование «скафандра с двойной оболочкой», использование пылезащитных экранов, использование высококачественной магнитной сепарации и использование солнечного потока для спекания. и расплавить реголит. [23] [24] [25]
Потенциал лунного грунта для строительства сооружений был предложен, по крайней мере, с момента предложения лунного бетона и все чаще проверялся. [26] [27]
Различия между почвой Земли и лунной почвой означают, что растениям трудно расти в ней. [28] [29] В результате долгосрочные космические миссии могут потребовать сложных и дорогостоящих усилий по обеспечению продовольствием, таких как импорт земной почвы , химическая обработка лунной почвы для удаления тяжелых металлов и окисления атомов железа, а также селективное разведение штаммов растений, которые приспособлены к негостеприимному лунному реголиту. [28] [29] Поэтому лунный грунт испытали, успешно вырастив из него растения в лаборатории на Земле. [30]
Астронавты Аполлона привезли около 360 килограммов (790 фунтов) лунных камней с шести посадочных площадок. Хотя этот материал был изолирован в вакуумных бутылках, в настоящее время он непригоден для детального химического или механического анализа - песчанистые частицы повредили острые индиевые уплотнения вакуумных бутылей; воздух медленно просачивался внутрь. Каждый образец, доставленный с Луны, был загрязнен земным воздухом и влажностью. Пыль приобрела налет ржавчины, и в результате связи с земными молекулами воды и кислорода ее химическая активность пропала. Химические и электростатические свойства грязи больше не соответствуют тем, с которыми будущие астронавты столкнутся на Луне. [8]
Предметы, загрязненные лунной пылью, наконец, стали доступны публике в 2014 году, когда правительство США одобрило [31] продажу частных материалов, принадлежащих и собранных астронавтами. С тех пор на продажу был выпущен только один предмет из настоящей лунной пыли, собранной после того, как предмет провел на Луне более 32 часов. Багажный ремень, подвергавшийся воздействию стихии Луны в течение 32 часов, часть скафандра Чарльза «Пита» Конрада во время миссии «Аполлон-12» был продан его поместьем частному покупателю на аукционе. [32] В 2017 году на аукцион был выставлен лунный грунт, собранный Нилом Армстронгом в 1969 году. [33] Хотя многие производители ювелирных изделий и часов заявляют, что их продукция содержит «лунную пыль», на самом деле она содержит только кусочки или пыль метеоритов, предположительно прилетевших с Луны. 11 сентября 2020 года НАСА объявило, что готово создать рынок лунного грунта, приняв предложения о его покупке у коммерческих поставщиков. [34] В мае 2022 года ученые успешно вырастили растения, используя лунный грунт. Кресс-салат ( Arabidopsis thaliana ) был первым растением, которое проросло и выросло на Земле в почве другого небесного тела. [35]
16 декабря 2020 года китайская миссия «Чанъэ-5» вернулась на Землю с грузом весом около 2 килограммов камней и грязи, который он собрал с Луны. Это первый образец лунного реголита, вернувшийся на Землю с 1976 года. Китай — третья страна в мире, доставившая такой материал обратно на Землю. [36]
«Чанъэ-5» является частью первой фазы китайской программы исследования Луны . На этом этапе программы осталось еще 3 проекта («Чанъэ-6» в 2024 году, «Чанъэ-7» в 2024 году и «Чанъэ-8» в 2027 году). Второй этап программы предполагает высадку китайских астронавтов на Луну в период с 2030 по 2039 год.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )Распределение частиц лунной пыли по размерам из образца 77051 с корабля Аполлон-17 было определено с помощью анализа изображений СЭМ.
Данные о распределении по размерам характеризуются приближенным распределением Гаусса с одной модой на длине волны около 300 нм.
Площадь поверхности реактивации высокопористых частиц «швейцарского сыра» примерно на 26% больше, чем у сферы.
Морфология пылинок классифицируется по четырем типам: 1) сферическая;
2) угловые блоки;
3) осколки стекла;
и 4) нерегулярные (веревочные или швейцарские).
Эти данные помогут исследователям-медикам в изучении токсикологических последствий вдыхания лунной пыли человеком.
Лунная пыль, которую называют потенциальным источником кислорода и металлов, вызывает беспокойство, поскольку врачи опасаются, что мельчайшие частицы могут попасть в легкие астронавтов, что может привести к долгосрочным последствиям для здоровья.
