Ученые из Университета Рочестера показали, что магнитное поле Земли направляет частицы атмосферы к Луне. Компьютерное моделирование доказало: этот процесс идет миллиарды лет, создавая в лунном грунте запасы воды, азота и других летучих веществ, критически важных для будущих лунных баз.

Атмосфера Земли может помочь жизни человека на Луне
Магнитное поле Земли возникло около 4 миллиардов лет назад благодаря движению расплавленного железа во внешнем ядре планеты. Оно защищает поверхность от заряженных частиц солнечного ветра, отклоняя их потоки. Но силовые линии поля не замкнуты: они простираются в космос на десятки тысяч километров, образуя магнитосферу. Некоторые линии достигают орбиты Луны, находящейся в среднем на расстоянии 384 000 км. Именно вдоль этих линий и движутся выбитые солнечным ветром частицы земной атмосферы.

Образцы лунного грунта, доставленные миссиями «Аполлон» в 1970-х годах, содержат удивительно много летучих веществ — воды, углекислого газа, гелия, аргона и азота. Часть этих элементов приносит солнечный ветер, но азота слишком много, чтобы его количество в лунном грунте можно было объяснить только солнечным ветром.

В 2005 году японские исследователи предположили, что источником азота могла быть земная атмосфера, но только в период до появления магнитного поля, которое, как считалось, блокирует выход частиц в космос.

Группа из Рочестера проверила эту гипотезу компьютерным моделированием. Они сравнили два сценария: ранняя Земля без магнитного поля под действием мощного солнечного ветра и современная Земля с сильным полем и слабым ветром. Неожиданно оказалось, что перенос частиц работает лучше именно в современных условиях.

Солнечный ветер (желто-оранжевые следы) вырывает ионы из верхних слоев атмосферы Земли (голубые следы). Некоторые из этих частиц движутся вдоль линий магнитного поля Земли (сплошные белые кривые) и оседают на поверхности Луны. В результате этого процесса на лунной почве могут оставаться следы атмосферы Земли.
Солнечный ветер (желто-оранжевые следы) вырывает ионы из верхних слоев атмосферы Земли (голубые следы). Некоторые из этих частиц движутся вдоль линий магнитного поля Земли (сплошные белые кривые) и оседают на поверхности Луны. В результате этого процесса на лунной почве могут оставаться следы атмосферы Земли.

Солнечный ветер выбивает заряженные частицы из земной атмосферы, а магнитные силовые линии направляют их к Луне. «Комбинируя данные о частицах в лунном грунте с компьютерным моделированием взаимодействия солнечного ветра с атмосферой Земли, мы можем проследить историю земной атмосферы и ее магнитного поля», — говорит Эрик Блэкман, профессор физики и астрономии. Работа опубликована в журнале Nature Communications Earth and Environment.

Архив климата и ресурс для баз

Схематическое представление модели взаимодействия солнечного ветра и атмосферы Земли, включающей профили земной атмосферы и геодинамо-модель, использованные в исследовании, а также системы координат, примененные для анализа.
Схематическое представление модели взаимодействия солнечного ветра и атмосферы Земли, включающей профили земной атмосферы и геодинамо-модель, использованные в исследовании, а также системы координат, примененные для анализа.

Миллиардолетний обмен частицами означает, что Луна хранит химическую летопись земной атмосферы. Изучение лунного грунта может показать, как менялись климат, океаны и жизнь на Земле.

В тоже время это делает лунный реголит крайне ценным ресурсом: накопленные там вода и азот могут поддержать долговременное присутствие людей на Луне, снизив потребность в доставке грузов с Земли.