Согласно новому исследованию, частицы из атмосферы Земли уже миллиарды лет переносятся в космос солнечным ветром и оседают на Луне, смешиваясь с лунным грунтом.
Это исследование даёт возможные ответы на загадку, которая оставалась неразгаданной более полувека с тех пор, как миссии «Аполлон» привезли обратно образцы лунного грунта со следами таких веществ, как вода, углекислый газ, гелий и азот, вкраплённых в реголит — пылевой поверхностный слой Луны.
В ранних исследованиях предполагалось, что источником некоторых из этих веществ было Солнце. Но в 2005 году исследователи из Токийского университета предположили, что они могли попасть туда из атмосферы молодой Земли до того, как около 3,7 миллиарда лет назад у неё сформировалось магнитное поле. Авторы высказали предположение, что магнитное поле, однажды сформировавшись, остановило бы поток, удерживая частицы, затрудняя их уход в космос или делая его полностью невозможным.
Новое исследование опровергает это предположение, предполагая, что магнитное поле Земли наоборот, способствовало, а не препятствовало переносу атмосферных частиц на Луну — и этот перенос продолжается и по сей день.
«Получается, что всё это время Земля поставляла в лунный грунт летучие газы, такие как кислород и азот», — сказал Эрик Блэкман, соавтор нового исследования и профессор кафедры физики и астрономии Университета Рочестера в Нью-Йорке.
«Долгое время считалось, что Луна образовалась в результате столкновения астероида с прото-Землёй, в ходе которого произошло значительное смешивание летучих веществ с Земли и Луны, — добавил он в электронном письме. — Наши результаты показывают, что обмен летучими веществами продолжается даже спустя миллиарды лет».
Наличие полезных элементов, таких как кислород и водород, на поверхности Луны может представлять интерес для лунной экспедиции.
«Лунным миссиям и, в конечном итоге, лунным колониям, которые потенциально могут возникнуть когда-нибудь, придётся быть самодостаточными в плане ресурсов, чтобы их не нужно было доставлять с Земли», — сказал Блэкман.
«Например, люди изучали, как можно перерабатывать воду из лунного реголита и извлекать водород и кислород для производства топлива. Есть также исследования топлива на основе аммиака, которое будет использовать азот, переносимый на Луну солнечным ветром. Этот материал, переносимый солнечным ветром, попадает в почву и становится частью местных ресурсов, которые могут быть использованы для таких инноваций».
Ценная химическая запись
Для исследования учёные использовали компьютерное моделирование и протестировали два сценария. В одном из них был сильный солнечный ветер — высокоскоростной поток частиц, исходящий от Солнца, — и отсутствие магнитного поля вокруг Земли. В другом — более слабый солнечный ветер и сильное магнитное поле вокруг Земли. Эти сценарии примерно соответствуют древнему и современному состоянию нашей планеты. Сценарий с современной Землёй оказался наиболее эффективным для переноса фрагментов земной атмосферы на Луну.
Затем исследователи сравнили результаты с данными, полученными непосредственно из анализа лунного грунта в предыдущих исследованиях.
«Мы использовали лунные образцы, привезённые на Землю миссиями „Аполлон-14“ и „Аполлон-17“, чтобы подтвердить наши результаты», — сказал Шубхонкар Параманик, аспирант факультета физики и астрономии Университета Рочестера. Параманик был ведущим автором исследования, опубликованного в декабре в журнале Nature Communications Earth & Environment.
«У нас есть солнечный ветер, который попадает в земную атмосферу, и у нас есть утечка земной атмосферы. Поэтому мы попытались определить, каким будет соотношение этой смеси частиц, или отличить, какие частицы имеют солнечное происхождение, а какие — земное», — добавил он.
Магнитное поле Земли генерируется электрическими токами, возникающими в результате движения расплавленного железа и никеля в жидкой внешней части ядра планеты. Поле простирается далеко в космос, образуя щит, который отклоняет большую часть солнечного ветра, который иначе разрушал бы атмосферу.
Когда магнитное поле взаимодействует с солнечным ветром, оно создаёт магнитосферу — структуру, похожую на комету, со сжатым фронтом и длинным хвостом. Когда частицы солнечного ветра перемещаются вдоль линий магнитосферы вблизи полюсов, мы получаем полярные сияния, также известные как северное и южное сияние.
Форма магнитосферы объясняет, почему солнечный ветер может отрывать некоторые частицы от атмосферы Земли и выносить их в космос. По словам Блэкмана, это также позволяет переносить на Луну большую часть атмосферы Земли, чем в немагнитной или древней модели Земли.
«Магнитное поле не является чисто защитным по двум причинам: оно оказывает давление, которое несколько раздувает атмосферу Земли, давая солнечному ветру немного больше доступа к атмосфере, — сказал он. — А когда Луна находится в фазе полнолуния на своей орбите, она проходит через область, называемую „магнитохвостом“ [magnetotail], где магнитное поле открывает канал, позволяющий выдуваемому атмосферному материалу проходить более прямой путь к Луне».
Луна проходит через магнитохвост в течение нескольких дней каждый месяц, и частицы приземляются на лунную поверхность, где они встраиваются в почву, поскольку у Луны нет атмосферы, которая могла бы их заблокировать.
Понимание истории этого взаимодействия между Луной и Землёй важно, поскольку оно предоставляет ценные химические данные о древней атмосфере Земли, которая может содержаться в лунном грунте, утверждается в исследовании. Состав атмосферы, по словам Блэкмана, связан с эволюцией жизни на разных этапах истории Земли.
Новая точка зрения
Кентаро Терада, профессор изотопной космохимии и геохимии в японском Университете Осаки, очень рад тому, что его наблюдения были теоретически подтверждены. Терада возглавил исследование 2017 года, которое показало, как солнечный ветер и магнитное поле Земли переносили кислород на Луну, но он не участвовал в новом исследовании.
«Уже давно известно, что Земля и Луна физически сосуществовали с момента своего образования», — написал он в электронном письме. Открытие лунных метеоритов и наблюдение потоков частиц с Земли, переносимых солнечным ветром, открывают новую перспективу: «Эти два тела также влияли друг на друга химически — это своего рода обмен материалами», — пояснил он, добавив, что статья «очень интересна своим всесторонним обсуждением истории Земли».
Луна может многое рассказать нам об истории и эволюции Земли, и новое исследование подтверждает эту идею, по словам Симеона Барбера, старшего научного сотрудника Открытого университета в Великобритании, который не участвовал в этой работе.
Он добавил, что исследование также является своевременным, поскольку в 2020 году китайская миссия «Чанъэ-5» получила новые образцы молодой лунной почвы, а в 2024 году миссия «Чанъэ-6» получит первые образцы с обратной стороны Луны, что даст возможность дополнительно проверить полученные результаты.
Кроме того, по словам Барбера, эта работа будет полезна для интерпретации результатов предстоящих лунных роботизированных посадочных аппаратов, способных непосредственно выявлять летучие элементы в лунном реголите.
