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.
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 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.
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.
Удивительный факт, но на Луне действительно есть атмосфера, хотя она и очень разрежена. В одном кубическом сантиметре лунного воздуха содержится всего около миллиона молекул, что несравнимо с плотностью атмосферы Земли.
Тем не менее, эта атмосфера существует и состоит из азота, гелия, аргона, неона, аммиака, метана и углекислого газа. Также в ней были обнаружены натрий и калий.
Интересно, что эти последние два элемента не встречаются в атмосферах твёрдых планет Солнечной системы, и долгое время это оставалось загадкой. Однако недавно исследователи из Массачусетского технологического института и Чикагского университета обнаружили, что на Луне формируется тонкая газовая оболочка (экзосфера). Это происходит из-за падения микрометеоритов на поверхность спутника.
«Теперь нам известно, что «испарение» при ударе метеорита является доминирующим процессом, который создаёт лунную атмосферу. Луне около 4,5 миллиардов лет, и на протяжении всего этого времени её поверхность непрерывно бомбардировалась метеоритами. Мы показываем, что в конечном итоге тонкая атмосфера достигает устойчивого состояния, поскольку она непрерывно пополняется взвесью от небольших ударов по всей Луне», — заявила руководитель группы Николь Ни.
Учёные проанализировали образцы грунта и сравнили изотопный состав элементов в реголите. Они обнаружили, что в грунте преобладают тяжёлые изотопы калия и рубидия. Это указывает на то, что поверхность Луны подвергалась регулярным ударам массивных объектов на протяжении всей её истории. Со временем удары стали менее сильными, но они всё равно происходят, и поверхность Луны по-прежнему бомбардируется микрометеоритами.
В результате этих ударов частицы грунта выбрасываются в космос, а некоторые из них испаряются и остаются подвешенными в пространстве, образуя экзосферу.
Команда американских астрономов изучила околоземный астероид 2024 PT5, который почти на два месяца стал временным спутником нашей планеты, и установила его природу. Похоже, он представляет собой отколовшуюся лунную породу. По мнению авторов новой научной работы, в космосе дрейфует скрытая популяция таких объектов, все они ожидают своего открытия.
Иногда Земля своей гравитацией может захватить небольшие околоземные астероиды. Происходит это в том случае, если такие объекты расположены достаточно близко к нашей планете (внутри сферы Хилла) и пролетают на подходящей скорости, чтобы гравитация Земли смогла изменить их орбиту. Ученые называют эти тела «мини-лунами». Они могут стать как квазиспутниками, способными находиться на орбите столетиями, так и временными спутниками, оставаясь вблизи планеты от нескольких часов до нескольких дней и даже месяцев.
Большинство «захваченных» околоземных астероидов слишком малы, чтобы причинить вред людям. Однако для ученых они удобные цели, так как находятся ближе, чем другие околоземные объекты.
За время астрономических наблюдений исследователи открыли десятки временных спутников Земли. Среди последних — 2024 PT5 диаметром 10-11 метров, который обнаружили в августе 2024 года благодаря наземной системе телескопов ATLAS. В статусе временного спутника он пробыл 56 дней, с сентября по ноябрь, снова «временным» станет только в 2055 году.
Первые наблюдения показали, что 2024 PT5 — вероятно, один из представителей семейства околоземных астероидов Арджуна, орбиты которых очень похожи на земные по своему характеру, имеют низкое наклонение и орбитальные периоды, близкие к одному году.
Команда астрономов из США под руководством Тедди Карета (Teddy Kareta) из обсерватория Лоуэлла в Аризоне повторно изучила 2024 PT5 и выяснила, что по своему внешнему виду космическое тело не похоже на большинство других известных околоземных астероидов. Об этом исследователи рассказали в статье, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXiv․org.
Химический состав 2024 PT5 схож с химическим составом образцов лунных пород, собранных миссией «Аполлон-14» в 1971 году. Кроме того, давление солнечного излучения, наблюдаемое на траектории астероида, на порядки ниже, чем ожидалось бы для искусственного объекта. Поэтому с большой долей вероятности 2024 PT5 не рукотворный объект или космический странник, образовавшийся на задворках Солнечной системы, а часть Луны — порода, отколовшаяся от поверхности нашего естественного спутника в результате столкновения с крупным телом.
Карет и его коллеги исследовали спектр отражения 2024 PT5 с помощью двух наземных телескопов: Lowell Discovery и инфракрасного телескопа NASA IRTF, установленного на вершине вулкана Мауна-Кеа на острове Гавайи. Ученые пришли к выводу, что состав астероида богат пироксеном — минералом, который часто встречается на Луне: его находят в базальтовых породах, образовавшихся из лавы в лунных морях.
Например, пироксена много в образцах, собранных астронавтами Аланом Шепардом и Эдгаром Митчеллом на видимой стороне Луны в формации Фра-Мауро — холмистой местности, сложенной, как предполагается, из обломочных пород. То есть из материала, который возник на глубине, но в результате импактного события оказался выброшен на поверхность.
«Астронавты собирали образцы в основном на возвышенностях — более светлых участках Луны, которые можно увидеть с Земли. Мы предполагаем, что относительно недавно — возможно, 200 тысяч лет назад — что-то большое врезалось в этот регион и выбросило в космос лунные породы, включая 2024 PT5. Если бы меня спросили, с какой именно части Луны родом этот астероид, я бы ответил, что из высокогорья», — объяснил Карет.
Если 2024 PT5 действительно фрагмент лунной породы, он будет вторым известным астероидом, сформировавшимся таким образом. В 2021 году группа астрономов пришла к выводу, что ранее открытый небольшой околоземный астероид (469219) Камоалева был выбит с поверхности Луны. Его спектры похожи на спектры образцов лунного грунта, доставленные миссиями «Аполлон-14» и «Луна-24». В частности, исследования спектра отраженного света показали, что химический состав астероида напоминает химический состав минерала анортозита — основной компонент лунной коры.
В 2025 году Китай собирается отправить миссию «Тяньвэнь-2» к околоземному астероиду (469219) Камоалева с возвратом образцов его грунта. В случае успеха миссии у ученых окажется ценный материал, который прольет свет не только на состав и происхождение этих объектов, но и позволит лучше понять процессы образования Луны и взаимодействия между Землей и ее спутником.
По мнению ученых, сделавших открытие, вблизи нашей планеты могут находиться около 16 околоземных астероидов, образовавшихся из лунных пород. Однако заметить их достаточно сложно, потому что они маленькие и очень тусклые.
Другие исследователи уверены, что такие объекты вряд ли будут встречаться слишком часто, поскольку для их образования нужны «правильные условия». Если во время столкновения астероида с лунной поверхностью выделится недостаточно энергии, образовавшиеся обломки просто упадут обратно на поверхность. Если же выделится слишком много энергии, обломки преодолеют гравитацию Луны и покинут гравитационное поле системы Земля — Луна.
Главная цель миссии — собрать образцы грунта с околоземного астероида 2016 HO3 (Камоалева) и доставить их на Землю в 2027 году.
Вот толькл на этом путешествие не завершится: после доставки образцов «Тяньвэнь-2» планирует сблизиться с короткопериодической кометой 311P/PANSTARRS в середине следующего десятилетия.
История появления Луны началась примерно 4,5 миллиарда лет назад, когда молодая Земля (протоземля) столкнулась с небесным телом размером примерно с Марс, которое условно называют Тейей. Это событие было настолько разрушительным, что часть земной мантии и фрагменты разрушенной Тейи оказались выброшены на орбиту. Этот материал сформировал вокруг планеты раскаленный диск из обломков и расплавленного вещества.
Из этого диска довольно быстро — по некоторым моделям за считаные часы, по другим оценкам за тысячи или десятки тысяч лет — аккрецировала Луна. В любом случае по астрономическим меркам это произошло мгновенно.
Сразу после формирования Луна находилась на расстоянии примерно 20–25 тысяч километров от Земли. Для сравнения: сегодня среднее расстояние между этими объектами составляет примерно 384 400 километров, и Луна продолжает от нас удаляться прямо сейчас, пока вы читаете этот текст, со скоростью 38 миллиметров в год.
Почему Луна не была ближе
Тут все очень просто: существует физическое ограничение, известное как предел Роша, — минимальное расстояние, на котором крупное тело способно существовать без риска быть разорванным приливными силами более массивного соседа. Для системы Земля — Луна этот предел составляет от 9 500 до 18 000 километров в зависимости от плотности тела.
Формирующаяся Луна на самой ранней стадии представляла собой рыхлую, полурасплавленную массу, аккрецирующую из диска обломков. У нее не было структурной прочности, которая позволила бы удержаться от разрыва на расстоянии в 9 500 километров. Для устойчивого формирования ей необходимо было находиться дальше "жидкого" предела Роша, то есть дальше 18 000 километров, — чтобы одной только собственной гравитации хватило для победы над приливными силами со стороны Земли, которые в противном случае разорвали бы любые формирующиеся сгустки материи на части.
И вот тут моделирование дает оценку в 20–25 тысяч километров от нашей планеты. Именно с этой точки Луна начала свое существование, и стартовал ее долгий путь отдаления от Земли.
Почему Луна удаляется от Земли
В процессе вращения вокруг общего центра масс Луна создает на Земле приливные горбы — возвышения океанической воды и деформации твердой коры, вызванные ее притяжением. Но из-за того, что Земля вращается быстрее (один оборот вокруг своей оси за 24 часа), чем Луна обращается вокруг нее (один оборот примерно за 27,3 дня), эти горбы оказываются немного смещены вперед относительно самой Луны.
Эта, казалось бы, незначительная асимметрия обеспечивает приливное ускорение, которое слегка подталкивает Луну вперед по орбите, одновременно замедляя вращение Земли. Ускоряясь, Луна по законам орбитальной механики поднимается на все более высокую орбиту.
Сегодня этот процесс идет со скоростью 38 миллиметров в год. Цифра настолько точная благодаря отражателям, которые в рамках программы NASA "Аполлон" были оставлены на лунной поверхности. Ученые регулярно посылают к ним лазерные импульсы и измеряют время возврата сигнала. Зная скорость света и время, за которое был пройден путь, можно с легкостью рассчитать расстояние — с точностью до миллиметров.
Стоит отметить, что скорость удаления не была постоянной на протяжении миллиардов лет. Она сильно зависит от конфигурации континентов на Земле, потому что интенсивность приливного трения определяется формой и размерами океанических бассейнов. Были эпохи, когда Луна удалялась значительно медленнее, чем сейчас, и периоды более резкого дрейфа.
Короткие сутки древней Земли
Обратная сторона удаления Луны — замедление вращения Земли, поскольку именно оно питает энергией весь процесс. Когда Луна только сформировалась, продолжительность земных суток составляла всего 5–6 часов.
По мере того как Луна отдалялась, "воруя" угловой момент у Земли, сутки постепенно растягивались — до современных 24 часов, и процесс продолжается, просто крайне медленно: каждое столетие прибавляется около 1,7 миллисекунды. Для сравнения: когда на Земле доминировали динозавры, продолжительность суток составляла 23–23,5 часа.
Гигант на небосводе
Новорожденная Луна была в 15–20 раз ближе к Земле, чем сегодня, а значит, и ее видимый диаметр был тоже в 15–20 раз больше, чем у привычного нам диска. То есть в небе висел исполинский шар, закрывающий значительную часть небосвода и днем, и ночью.
Из-за столь малой дистанции приливные силы были на порядки мощнее нынешних. Океанские приливы представляли собой волны высотой в сотни метров, а земная кора испытывала чудовищные деформации: тут и там появлялись временные горы и разломы.
Как все это узнали?
Разумеется, у нас нет фотографий той эпохи, но имеется не менее ценный источник информации — так называемые приливные ритмиты: осадочные породы с тонкой слоистостью, формирующиеся в приливных зонах. Они естественным образом задокументировали цикличность приливов прошлого. Изучая толщину и структуру этих слоев в древних породах, геологи реконструируют, как менялись длина земных суток и лунная орбита на протяжении миллиардов лет истории планеты.
Комбинируя эти геологические данные с современными лазерными измерениями и физическими моделями приливного взаимодействия, можно с уверенностью говорить о том, насколько близко находилась Луна в момент своего рождения и насколько другой была Земля в начале своей истории.
... 12 апреля 2017 года с расстояния в 1,4 миллиарда километров Пространство, в котором виднеется наша планета с её спутником, — это Деление Роша, расположенное между кольцом A (внизу) и ярким кольцом F (вверху справа).
Может ли исчезновение естественного спутника планеты привести к катастрофическим изменениям на ее поверхности? В случае с Луной и Землей ответ пугающе очевиден — да. Наш спутник играет критическую роль в поддержании самой жизни на планете, и его потеря запустила бы цепочку разрушительных событий.
Первый и самый мощный удар пришелся бы по Мировому океану. Без Луны сила приливов уменьшится на две трети, что нарушит работу глобального океанического конвейера — системы течений, перемешивающих воды от поверхности до самых глубин. Это приведет к катастрофическому снижению уровня кислорода в глубинных водах.
Начнется массовая гибель планктона — микроскопической основы всей морской пищевой цепи. За ним последуют рыбы, киты, тюлени. Прибрежные экосистемы, привыкшие к ритму приливов, разрушатся первыми. Исчезновение кораллов, моллюсков и ракообразных — это только начало. Погибнут целые рыбные популяции, потеряв места нереста и кормовую базу.
Океан, занимающий около 70% поверхности планеты, превратится в безжизненную водную пустыню. А ведь именно океан производит более половины кислорода на Земле и регулирует глобальный климат.
Климатический хаос
Но это еще не все. Луна своей гравитацией стабилизирует наклон земной оси (около 23,5 градуса). Без этой поддержки ось начнет колебаться под гравитационным влиянием других планет. Даже небольшие изменения наклона оси приведут к радикальным климатическим сдвигам.
Представьте: там, где были умеренные зоны, могут образоваться пустыни или, наоборот, зоны вечной мерзлоты. Привычные сезоны исчезнут. Сельское хозяйство станет практически невозможным. Изменится характер осадков, направление ветров, океанических течений.
Земля превратится в планету экстремальных контрастов: одни регионы будут страдать от чудовищной жары, другие — от убийственного холода. Жизнь, такая, какой мы ее знаем, окажется под угрозой тотального вымирания.
К счастью, исчезновение Луны — событие невозможное. Но сама мысль о последствиях такой катастрофы показывает, насколько хрупок баланс условий, поддерживающих жизнь на нашей планете. И насколько важен для нас этот скромный спутник.
На самом деле видно даже невооруженным глазом, если зрение острое и знать куда смотреть. Особенно, если поблизости есть водоемы с которых видно другой берег в удалении. С высоты 178см (условно уровень взгляда человека средней высоты) горизонт на равнине/спокойной воде всего-то 4.7 км. На расстоянии уже 20км изгиб земли будет почти 19 метров. Так что пляжи, набережные и невысокие постройки на том берегу будут скрыты изгибом.
Комментарии