Księżyc wydaje się jałową pustynią, jednak choć jest znacznie mniej masywny niż Ziemia, ma on bardzo cienką atmosferę. Przez lata zastanawiano się skąd się ona bierze. Teraz wiemy, że odpowiedzialne za jej powstanie są mikrometeoroidy i wiatr słoneczny.
Badania naszego naturalnego satelity są ostatnio źródłem wielu ciekawych odkryć. W próbkach z chińskich misji księżycowych Chang’e 5 odkryto po raz pierwszy całe cząsteczki wody, a także grafen. Poszerza się też wiedza na temat budowy wewnętrznej Księżyca i jego otoczenia dzięki analizom danych sejsmicznych oraz próbek z Księżyca, zebranych i przywiezionych jeszcze w czasach misji Apollo. Kolejnym jest potwierdzenie głównego mechanizmu powstawania księżycowej atmosfery, za który odpowiadają te same czynniki kosmiczne, które nam na Ziemi dostarczają pięknych pokazów spadających gwiazd i zórz polarnych.
Księżycowa atmosfera. Jest, a prawie jakby jej nie było
Świadomość tego, że Księżyc ma jakąkolwiek atmosferę nie jest powszechna i trudno się temu dziwić. Nie jest to bowiem atmosfera taka jak na Ziemi, Wenus czy nawet na Marsie. Księżycowa atmosfera jest tak cienka, a grawitacja Księżyca na tyle słaba, że jest to w praktyce jedynie egzosfera. To zewnętrzna część atmosfery, w której gęstość materii jest bardzo mała, a liczba zderzeń pomiędzy cząsteczkami bardzo mała. Egzosfera to granica atmosfery, gdzie następuje jej przejście w przestrzeń kosmiczną. W przypadku Ziemi, egzosfera zaczyna się na wysokości od 500 do 1000 km (zależy to od stopnia aktywności słonecznej, który wpływa na rozpiętość niższej warstwy atmosfery, czyli termosfery). To wyżej niż pułap Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Powierzchnia Ziemi obserwowana z orbity czesto jest w dużym stopniu przesłonięta chmurami. Powierzchnia Księżyca zawsze widoczna jest jak na dłoni. Trudno sobie wyobrazić, że jest tam jakakolwiek atmosfera. (fot: NASA)
Na Księżycu egzosfera zaczyna się już przy jego powierzchni. W trakcie księżycowej nocy jej górny pułap może obniżać się praktycznie do poziomu gruntu. Obserwacje wskazują na obecność pyłu w egzosferze Księżyca nawet na wysokości 100 km. Niemniej księżycowa atmosfera nie stanowi żadnego zabezpieczenia przed promieniowaniem kosmicznym, a także meteoroidami. Wręcz przeciwnie, ten brak ochrony powierzchni sprawia, że atmosfera na Księżycu mogła powstać.
Skąd bierze się księżycowa atmosfera?
Atmosfera na Księżycu, a dokładnie jego egzosfera, ma masę jedynie około 25 ton. Jej ciśnienie przy powierzchni jest około biliarda razy mniejsze niż ciśnienie atmosfery na poziomie morza na Ziemi. Dokładnie to około 3 * 10^-15 atm. W jednym centymetrze sześciennym księżycowej atmosfery mamy tylko 100 molekuł.
Skład tej atmosfery to przede wszystkim hel, neon, wodór, argon. W mniejszej obfitości mamy azot, metan, amoniak, dwutlenek i tlenek węgla, a także śladową obecność jonów tlenu, glinu, krzemu. Spektroskopowe obserwacje z Ziemi wskazują także na obecność fosforu, sodu i magnezu. Z kolei z orbity Księżyca sonda Lunar Prospector zarejestrowała obecność radioaktywnych izotopów radonu i polonu.
Od dawna przypuszczano, że atmosfera Księżyca powstaje i jest podtrzymywana przez procesy związane z wietrzeniem powierzchni. Jest ono wynikiem wystawienia powierzchni tego ciała niebieskiego na takie czynniki jak meteoroidy, promieniowanie kosmiczne, wiatr słoneczny. Jednakże dotychczas brakowało potwierdzenia dokładnego cyklu ewolucji egzosfery. Wcześniejsze wyniki, na podstawie obserwacji z Ziemi i sondy LADEE, która analizowała dokładnie skład atmosfery i powierzchni Księżyca, wskazywały jedynie na niezaniedbywalną rolę każdego ze wspomnianych czynników.
Dzięki pracy naukowców z MIT oraz Uniwerystetu z Chicago, którzy przeanalizowali próbki regolitu pobrane przez astronautów misji Apollo, mamy mocne podstawy uważać, że znamy już główny czynnik odpowiadający za powstawanie księżycowej atmosfery. Jest nim odparowanie materii zawartej w księżycowej glebie w wyniku zderzeń z meteoroidami. To proces, który trwa nieustannie od momentu powstania Księżyca około 4,5 miliarda lat temu. Chodzi tu nie tylko o zderzenia z dużymi obiektami, ale przede wszystkim o zderzenia z niewielkimi obiektami. Zderzeń z meteoroidami o rozmiarze piłeczki golfowej w ciągu roku jest kilkadziesiąt tysięcy. Im mniejszy impaktor, tym częstsze zderzenia.
Atmosfera Księżyca powstaje w wyniku wyniku procesów zderzeniowych, w których udział biorą oddziałujące na glebę księżycową meteoroidy oraz wiatr słoneczny.
Molekuły tworzące egzosferę Księżyca są z niej również usuwane, ale dzięki stałemu tempu ich dopływu, egzosfera jest stabilnym tworem. Zderzenia z meteoroidami odpowiadają za 70% składu atmosfery księżycowej, natomiast pozostałe 30% to konsekwencja wystawienia powierzchni na wpływ wiatru słonecznego.
Jak odkryto pochodzenie egzosfery Księżyca?
By uzyskać prawdopodobnie wiążącą odpowiedź na pytanie - co przede wszystkim odpowiada za powstawanie egzosfery Księżyca? - wystarczyła analiza 10 próbek księżycowej gleby o łącznej masie 1 grama. To niewiele mniej niż waga karty pamięci microSD.
Badanie dokładnego składu tych próbek wskazało na obecność izotopów potasu i rubidu, które są doskonałym wskaźnikiem aktywności procesów zasilających atmosferę Księżyca w materię. Te pierwiastki są nie tylko lotne, ale też w różnym stopniu poddają się ucieczce w przestrzeń kosmiczną lub są wchłaniane ponownie przez powierzchnię Księżyca. Na proporcje tych izotopów w próbkach wpływ ma też stosunek stopnia intensywności różnych procesów wietrzenia gruntu.
Cykl powstawania egzosfery i obiegu molekuł ją tworzących.
Dwa podstawowe procesy, które sprawiają, że atmosfera księżycowa jest zasilania stale w materię to:
- zderzenia z meteoroidami, prowadzą do odparowania fragmentów gruntu,
- rozproszenie jonowe, w wyniku zderzenia z jonami wiatru słonecznego z gruntu wybijane są atomy.
Cząsteczki, które trafiają do atmosfery Księżyca, zanim zostaną z niej usunięte mogą wielokrotnie „odbić się” od jego powierzchni. W podobny sposób co na Księżycu powstaje egzosfera otaczająca Merkurego. Egzosferę ma też Pluton, mogą ją mieć również inne niewielkie ciała niebieskie w Układzie Słonecznym. Jednak ze względu ma rożne odległości od Słońca, dokładny opis ich ewolucji będzie różnić się od tego księżycowego.
Źródło: space.com, moondaily, inf. własna, fot wejsciowe: NASA/SVS
Komentarze
1