Лунный реголит — это рыхлый материал, обнаруженный на поверхности Луны и в разреженной атмосфере Луны . Иногда его называют лунным грунтом, лунный грунт конкретно относится к компоненту реголита размером менее 1 см. Он существенно отличается по свойствам от земного грунта .
Как тонкий поверхностный слой Луны, лунный реголит подхватывается даже слабыми природными явлениями, активными на поверхности Луны, что позволяет ему быть частью скудной атмосферы Луны. Он легко нарушается и представляет значительную опасность для открытого оборудования и здоровья человека. Тонкий лунный реголит состоит из острых и очень липких частиц с отчетливым пороховым вкусом и запахом. Лунный реголит разведывается как лунный ресурс , в частности, для использования на Луне in situ , например, в качестве лунного строительного материала и реголита для выращивания растений на Луне .
Лунный реголит в первую очередь является результатом механического выветривания . Постоянные 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 тонкий материал. Эта ситуация принципиально отличается от земного почвообразования, опосредованного наличием молекулярного кислорода (O 2 ), влажностью, атмосферным ветром и мощным набором способствующих биологических процессов.
Лунный грунт обычно относится только к более мелкой фракции лунного реголита , которая состоит из зерен диаметром 1 см или меньше, но часто используется взаимозаменяемо. [1] Лунная пыль обычно подразумевает еще более мелкие материалы, чем лунный грунт . Не существует официального определения того, какая фракция размера составляет «пыль»; некоторые устанавливают пороговое значение менее 50 мкм в диаметре, в то время как другие — менее 10 мкм. [ необходима цитата ]
Основные процессы, участвующие в формировании лунного реголита: [ необходима ссылка ]
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 маленькие стеклянные шарики, прежде чем упасть обратно на поверхность, может создавать небольшие, но важные отложения в некоторых местах, например, оранжевую грязь, обнаруженную в кратере Шорти в долине Таурус-Литтров миссией Apollo 17 , и зеленое стекло, обнаруженное в Хэдли-Апеннинах миссией Apollo 15. [ необходима ссылка ] 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, постоянно выпрыгивающих с поверхности Луны и падающих обратно, что приводит к образованию «пылевой атмосферы», 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 кажущимся статичным из-за постоянства потока. Согласно модели, предложенной в 2005 году Лабораторией внеземной физики в Центре 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 в лунном реголите. 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 нескольких километров, при этом мельчайшие частицы достигают самых больших высот. В конце концов они падают обратно к поверхности, где процесс повторяется. На ночной стороне пыль отрицательно заряжена электронами солнечного ветра . Действительно, модель фонтана предполагает, что ночная сторона достигнет большей разницы электрического напряжения, чем дневная сторона, возможно, запуская частицы пыли на еще большие высоты. [4] Этот эффект может быть еще больше усилен во время части орбиты Луны, где она проходит через хвост магнитосферы Земли , часть магнитного поля Луны . [5] На терминаторе могут быть значительные горизонтальные электрические поля, образующиеся между дневными и ночными областями, что приведет к горизонтальному переносу пыли — форме «лунного шторма». [4] [6]
Этот эффект был предсказан в 1956 году писателем-фантастом Хэлом Клементом в его рассказе «Пыльная тряпка», опубликованном в журнале Astounding Science Fiction . [4]
Существуют некоторые доказательства этого эффекта. В начале 1960-х годов Surveyor 7 [7] и несколько предыдущих космических аппаратов Surveyor, совершивших мягкую посадку на Луну, прислали фотографии, на которых было видно недвусмысленное сумеречное свечение низко над лунным горизонтом, сохраняющееся после захода Солнца. [4] Более того, вопреки ожиданиям безвоздушных условий без атмосферной дымки, далекий горизонт между землей и небом не выглядел четким как бритва. Астронавты Apollo 17, вращавшиеся вокруг Луны в 1972 году, неоднократно видели и зарисовывали то, что они называли «полосами», «стримерами» или «сумеречными лучами» в течение примерно 10 секунд перед восходом или закатом Луны. О таких лучах также сообщали астронавты на борту Apollo 8, 10 и 15. Они могли быть похожи на сумеречные лучи на Земле. [4]
Apollo 17 также провел эксперимент на поверхности Луны под названием LEAM , сокращение от Lunar Ejecta and Meteorites. Он был разработан для поиска пыли, поднятой небольшими метеоритами, ударяющимися о поверхность Луны. Он имел три датчика, которые могли регистрировать скорость, энергию и направление крошечных частиц: по одному, направленному вверх, на восток и на запад. LEAM видел большое количество частиц каждое утро, в основном прибывающих с востока или запада, а не сверху или снизу, и в основном со скоростью, которая ожидается для лунных выбросов. Кроме того, температура эксперимента повышалась почти до 100 градусов по Цельсию через несколько часов после каждого лунного восхода солнца, поэтому устройство приходилось временно выключать из-за его перегрева. Предполагается, что это могло быть результатом того, что электрически заряженная лунная пыль прилипала к LEAM, затемняя его поверхность, поэтому экспериментальный пакет поглощал, а не отражал солнечный свет. [6] Однако ученые не смогли точно определить источник проблемы, поскольку LEAM проработал лишь недолгое время до окончания программы «Аполлон». [8]
Возможно, что эти штормы были замечены с Земли: на протяжении столетий поступали сообщения о странных светящихся огнях на Луне, известных как « транзиентные лунные явления » или TLP. Некоторые TLP наблюдались как кратковременные вспышки, которые теперь общепринято считать видимым свидетельством падения метеороидов на лунную поверхность. Но другие появлялись как аморфные красноватые или беловатые свечения или даже как темные туманные области, которые меняют форму или исчезают в течение секунд или минут. Это могло быть результатом отражения солнечного света от взвешенной лунной пыли. [6]
Хотя Луна имеет слабую атмосферу, движение и воздействие человеческой деятельности на Луну могут привести к тому, что облака лунного реголита распространятся далеко по всей Луне и, возможно, загрязнят изначальное состояние Луны и ее особое научное содержание. [9]
Из-за множества метеоритных ударов (со скоростью около 20 км/с) поверхность Луны покрыта 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 реголита, включают большие перепады температур , наличие жесткого вакуума и отсутствие значительного лунного магнитного поля , что позволяет заряженным частицам солнечного ветра непрерывно попадать на поверхность Луны.
Состав лунного реголита отражает состав материнских пород, на которых он залегает. Со временем материал смешивается как вертикально, так и горизонтально (процесс, известный как « садоводство ») ударными процессами. Хотя морской и высокогорный реголит имеют разные составы, их минеральные запасы очень похожи, скорее выражая разницу в соотношении минеральных фаз. Основными минералами, идентифицированными в лунном реголите, являются плагиоклаз , оливин , авгит , ортопироксен , пижонит , ильменит , хромит , кварц , кристобалит и витлокит . [11] Стекло в изобилии содержится в лунном реголите и образуется в результате ударного плавления. Лед является важным минералом в постоянно затененных кратерах. [12] Лунный реголит делится на высокогорный и морской на основе их состава, а затем делится на высоко-, низко- и очень низкотитанистый на основе содержания в них ильменита. [13]
Вклад материала из внешних источников относительно незначителен (вне лучевых систем ), так что состав грязи в любом данном месте в значительной степени отражает состав местной коренной породы. Сообщается, что лунный реголит имеет вкус и запах использованного пороха . [14]
Лунный реголит состоит из различных типов частиц, включая обломки горных пород, мономинеральные фрагменты и различные виды стекол, включая агглютинатные частицы, вулканические и ударные сферулы. [15] Агглютинаты образуются на поверхности Луны в результате ударов микрометеоритов, которые вызывают мелкомасштабное плавление, в результате которого соседние материалы сплавляются вместе с крошечными частицами элементарного железа, внедренными в стекловидную оболочку каждой пылевой частицы. [16]
Существует два основных отличия в химии лунного реголита и грязи от земных материалов. Первое заключается в том, что Луна очень сухая. В результате этого минералы, в состав которых входит вода ( минеральная гидратация ), такие как глина , слюда и амфиболы, отсутствуют на поверхности Луны. [17] Второе отличие заключается в том, что лунный реголит и кора химически восстановлены , а не значительно окислены, как земная кора. В случае реголита это отчасти объясняется постоянной бомбардировкой лунной поверхности протонами солнечного ветра. Одним из следствий является то, что железо на Луне находится в элементарной (0) и катионной (+2) степени окисления, [18] тогда как на Земле железо находится в основном в степени окисления +2 и +3.
Исследование NASA 2005 года перечислило 20 рисков, которые требовали дальнейшего изучения, прежде чем люди должны были отправиться на Марс, и назвало «пыль» проблемой номер один. В отчете настоятельно рекомендовалось изучить ее механические свойства, коррозионную активность, зернистость и влияние на электрические системы. Большинство ученых считают, что единственный способ окончательно ответить на эти вопросы — вернуть образцы марсианской грязи и камней на Землю задолго до запуска астронавтов. [8]
Хотя в этом докладе 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 технологию человеческой станции и членов экипажа: [20] [21] [22]
Принципы астронавтической гигиены должны использоваться для оценки рисков воздействия лунной пыли во время исследования поверхности Луны и, таким образом, определения наиболее подходящих мер контроля воздействия. Они могут включать снятие скафандра в трехступенчатом шлюзе, «пылесосную» очистку скафандра магнитом [23] перед снятием и использование местной вытяжной вентиляции с высокоэффективным фильтром для улавливания частиц для удаления пыли из атмосферы космического корабля. [24]
Вредные свойства лунной пыли недостаточно изучены. На основе исследований пыли, обнаруженной на Земле, ожидается, что воздействие лунной пыли приведет к большему риску для здоровья как при остром, так и при хроническом воздействии. Это связано с тем, что лунная пыль более химически активна и имеет большую площадь поверхности, состоящую из более острых зазубренных краев, чем земная пыль. [25] Если химически активные частицы оседают в легких, они могут вызвать респираторное заболевание. Длительное воздействие пыли может вызвать более серьезное респираторное заболевание, похожее на силикоз . Во время исследования Луны скафандры астронавтов будут загрязнены лунной пылью. Пыль будет выброшена в атмосферу, когда скафандры будут сняты. Методы, используемые для смягчения воздействия, будут включать обеспечение высокой скорости рециркуляции воздуха в шлюзе, использование «двойного скафандра», использование пылевых экранов, использование высококачественной магнитной сепарации и использование солнечного потока для спекания и плавления реголита. [26] [27] [28]
Отдельные сообщения о воздействии лунной пыли на людей во время программы «Аполлон» предполагают, что лунная пыль обладает токсичными свойствами. После каждого выхода в открытый космос модули экипажа были сильно загрязнены пылью; многие астронавты жаловались на кашель, раздражение горла, слезотечение и нечеткое зрение, что, вероятно, снизило их работоспособность. У летного хирурга, подвергшегося воздействию внутренней части капсулы после восстановления, развились, по-видимому, аллергические реакции на лунную пыль, которые ухудшались после каждого воздействия. Очевидные токсические эффекты лунной пыли никогда не изучались всесторонне после программы, и концентрации пыли, загрязнившей космический корабль, неизвестны. В каждом случае симптомы исчезали в течение 24 часов, а послеполетное легочное тестирование не выявило никаких постоянных последствий у астронавтов. [29]
Потенциал лунного грунта для строительства сооружений был предложен, по крайней мере, с момента предложения лунного бетона и все больше подвергался испытаниям. [30] [31]
Различия между почвой Земли и лунной почвой означают, что растениям трудно расти на ней. [32] [33] В результате долгосрочные космические миссии могут потребовать сложных и дорогостоящих усилий для обеспечения продовольствием, таких как импорт земной почвы , химическая обработка лунного реголита для удаления тяжелых металлов и окисления атомов железа, а также селективное разведение штаммов растений, которые адаптированы к негостеприимному лунному реголиту. [32] [33] Поэтому лунный реголит был испытан, и из него успешно выращивали растения в лаборатории на Земле. [34]
Астронавты Аполлона привезли около 360 килограммов (790 фунтов) лунных пород с шести посадочных площадок. Хотя этот материал был изолирован в вакуумных бутылках, теперь он непригоден для детального химического или механического анализа — песчаные частицы испортили острые индиевые уплотнения вакуумных бутылок; воздух медленно просачивался внутрь. Каждый образец, привезенный с Луны, был загрязнен земным воздухом и влажностью. Пыль приобрела налет ржавчины, и в результате связывания с земной водой и молекулами кислорода ее химическая реактивность исчезла. Химические и электростатические свойства грязи больше не соответствуют тому, с чем астронавты будущего столкнутся на Луне. [8]
Предметы, загрязненные лунной пылью, наконец, стали доступны общественности в 2014 году, когда правительство США одобрило [35] продажу частных материалов, принадлежащих и собранных астронавтами. С тех пор был произведен только один предмет для продажи с подлинной лунной пылью, собранной после того, как предмет провел более 32 часов на Луне. Багажный ремень, подвергавшийся воздействию стихии Луны в течение 32 часов, часть скафандра Чарльза «Пита» Конрада во время миссии «Аполлон-12», был продан его наследником частному покупателю на аукционе. [36] В 2017 году на аукцион был выставлен лунный реголит, собранный Нилом Армстронгом в 1969 году. [37] Хотя многие производители ювелирных изделий и часов утверждают, что их продукция содержит «лунную пыль», эти изделия содержат только кусочки или пыль метеоритов, предположительно прилетевших с Луны. 11 сентября 2020 года НАСА объявило, что оно готово создать рынок лунного реголита, призвав к подаче предложений на его покупку у коммерческих поставщиков. [38] В мае 2022 года ученые успешно вырастили растения, используя лунный реголит. Кресс-салат Таля ( Arabidopsis thaliana ) был первым растением, которое проросло и выросло на Земле в реголите с другого небесного тела. [39]
16 декабря 2020 года китайская миссия «Чанъэ-5» вернулась на Землю с примерно 2 килограммами камней и грязи, которые она подняла с Луны. Это первый образец лунного реголита, вернувшийся на Землю с 1976 года. Китай — третья страна в мире, которая привезла такой материал обратно на Землю. [40]
Chang'e-5 является частью первой фазы китайской программы исследования Луны . Chang'e 6 собрал и вернул образцы с обратной стороны Луны в 2024 году. [41] [42] На этом этапе программы осталось еще два проекта (Chang'e-7 в 2024 году и Chang'e-8 в 2027 году). Вторая фаза программы — высадка китайских астронавтов на Луну между 2030 и 2039 годами.
размеров частиц лунной пыли из образца 77051 Аполлона-17 было определено с помощью анализа изображений SEM. Данные распределения размеров показывают приблизительное гауссово распределение с одной модой около 300 нм. Площадь поверхности реактивации высокопористых частиц "швейцарского сыра" примерно на 26% больше, чем у сферы. Морфология пылевых зерен была классифицирована на основе их четырех типов: 1) сферические; 2) угловатые блоки; 3) стеклянные осколки; и 4) нерегулярные (канат или швейцарский сыр). Эти данные помогут исследователям-медикам в изучении токсикологических последствий вдыхания лунной пыли человеком.
лунная пыль и считается потенциальным источником кислорода и металлов, она вызывает беспокойство, поскольку врачи опасаются, что мельчайшие частицы могут оседать в легких астронавтов, что может привести к долгосрочным последствиям для здоровья.