Вопрос этот принадлежит к тем, которые уясняются, если сначала их, так сказать, перевернуть. Прежде чем говорить о том, почему Луна не удерживает вокруг себя атмосферу, поставим вопрос: почему удерживается атмосфера вокруг нашей собственной планеты? Вспомним, что воздух, как и всякий газ, представляет хаос не связанных между собой молекул, стремительно движущихся в различных направлениях. Средняя их скорость при t = 0 °C – около 1/2 км в секунду (скорость ружейной пули). Почему же не разлетаются они в мировое пространство? По той же причине, по какой не улетает в мировое пространство и ружейная пуля. Истощив энергию своего движения на преодоление силы тяжести, молекулы падают обратно на Землю. Вообразите близ земной поверхности молекулу, летящую отвесно вверх со скоростью 1/2 км в секунду. Как высоко может она взлететь? Нетрудно вычислить: скорость v, высота подъема h и ускорение силы тяжести g связаны следующей формулой:
v 2 = 2gh.
Подставим вместо v его значение – 500 м/с, вместо g – 10 м/с 2 , имеем
h = 12 500 м = 12 1/2 км.
Но если молекулы воздуха не могут взлетать выше 12 1/2 км, то откуда берутся воздушные молекулы выше этой границы? Ведь кислород, входящий в состав нашей атмосферы, образовался близ земной поверхности (из углекислого газа в результате деятельности растений). Какая же сила подняла и удерживает их на высоте 500 и более километров, где безусловно установлено присутствие следов воздуха? Физика дает здесь тот же ответ, какой услышали бы мы от статистика, если бы спросили его: «Средняя продолжительность человеческой жизни 70 лет; откуда же берутся 80-летние старики?» Все дело в том, что выполненный нами расчет относится к средней, а не реальной молекуле. Средняя молекула обладает секундной скоростью в 1/2 км, но реальные молекулы движутся одни медленнее, другие быстрее средней. Правда, процент молекул, скорость которых заметно отклоняется от средней, невелик и быстро убывает с возрастанием величины этого отклонения. Из всего числа молекул, заключающихся в данном объеме кислорода при 0°, только 20 % обладают скоростью от 400 до 500 м в секунду; приблизительно столько же молекул движется со скоростью 300–400 м/с, 17 % – со скоростью 200–300 м/с, 9 % – со скоростью 600–700 м/с, 8 % – со скоростью 700–800 м/с, 1 % – со скоростью 1300–1400 м/с. Небольшая часть (меньше миллионной доли) молекул имеет скорость 3500 м/с, а эта скорость достаточна, чтобы молекулы могли взлететь даже на высоту 600 км.
Действительно, 3500 2 = 20h , откуда h=12250000/20 т. е. свыше 600 км.
Становится понятным присутствие частиц кислорода на высоте сотен километров над земной поверхностью: это вытекает из физических свойств газов. Молекулы кислорода, азота, водяного пара, углекислого газа не обладают, однако, скоростями, которые позволили бы им совсем покинуть земной шар. Для этого нужна скорость не меньше 11 км в секунду, а подобными скоростями при невысоких температурах обладают только единичные молекулы названных газов. Вот почему Земля так прочно удерживает свою атмосферную оболочку. Вычислено, что для потери половины запаса даже самого легкого из газов земной атмосферы – водорода – должно пройти число лет, выражающееся 25 цифрами. Миллионы лет не внесут никакого изменения в состав и массу земной атмосферы.
Чтобы разъяснить теперь, почему Луна не может удерживать вокруг себя подобной же атмосферы, остается досказать немного.
Напряжение силы тяжести на Луне в шесть раз слабее, чем на Земле; соответственно этому скорость, необходимая для преодоления там силы тяжести, тоже меньше и равна всего 2360 м/с. А так как скорость молекул кислорода и азота при умеренной температуре может превышать эту величину, то понятно, что Луна должна была бы непрерывно терять свою атмосферу, если бы она у нее образовывалась.
Когда улетучатся наиболее быстрые из молекул, критическую скорость приобретут другие молекулы (таково следствие закона распределения скоростей между частицами газа), и в мировое пространство должны безвозвратно ускользать все новые и новые частицы атмосферной оболочки.
По истечении достаточного промежутка времени, ничтожного в масштабе мироздания, вся атмосфера покинет поверхность столь слабо притягивающего небесного тела.
Можно доказать математически, что если средняя скорость молекул в атмосфере планеты даже втрое меньше предельной (т. е. составляет для Луны 2360: 3 = 790 м/с), то такая атмосфера должна наполовину рассеяться в течение нескольких недель. (Устойчиво сохраняться атмосфера небесного тела может лишь при условии, что средняя скорость ее молекул меньше одной пятой доли от предельной скорости.) Высказывалась мысль – вернее, мечта, – что со временем, когда земное человечество посетит и покорит Луну, оно окружит ее искусственной атмосферой и сделает таким образом пригодной для обитания. После сказанного читателю должна быть ясна несбыточность подобного предприятия.
Есть ли у Луны атмосфера? Любой школьник сразу ответит, что нет. Но мы уже немного говорили о том, сколь обманчивы простые ответы.
Строго говоря, атмосфера у нашего спутника всё-таки есть, и речь не только об облаке пыли. Холодной лунной ночью в кубическом сантиметре пространства над поверхностью Селены мечутся сотни тысяч частиц газа, в основном водорода и гелия (между прочим, днём их становится меньше в десять раз).
Много это или мало? В тысячи раз больше, чем в межпланетном пространстве, что и даёт возможность говорить о газовой оболочке, правда, очень разрежённой. Но всё же эта концентрация газов в сотни триллионов раз меньше, чем у поверхности Земли.
Вспомним драматическую историю рождения "царицы ночей". Более четырёх миллиардов лет назад в Землю врезалась другая планета - Тейя. От колоссального удара "космическая гостья" полностью испарилась. Будущую колыбель человечества окутало облако раскалённых газов, поверхность превратилась в океан магмы, температура которого составляла более пяти тысяч градусов.
Потом на Землю обрушились ливни из расплавленного вещества двух планет. В первую очередь выпали самые тяжёлые элементы. Именно поэтому у Земли такое большое железное ядро - оно содержит не только исконно земное железо, но и всё тейянское. Из того же вещества, что не упало на нашу родную планету, в конце концов образовалась Луна.
В тот момент она находилась всего в 24 тысячах километров от Земли - в 16 раз ближе, чем теперь. Полная Луна была внушительным зрелищем, занимая на небе в 250 раз большую площадь, чем сегодня. Жаль, что любоваться этим зрелищем было некому, хотя ночь и наступала часто - сутки длились всего пять часов.
Постепенно Луна отдалялась от Земли, что она, кстати, делает и сегодня со скоростью четыре сантиметра в год. По мере увеличения дистанции растёт и продолжительность суток (и прямо сейчас тоже). Всё это объясняется гравитационным взаимодействием Земли и Луны и законом сохранения момента импульса, но мы сейчас не будем вдаваться в детали и выписывать уравнения.
Такая теория происхождения Луны сейчас практически общепринята, поскольку позволяет одним махом объяснить множество самых разнообразных фактов, от огромного наклона земной оси до сходства земных пород с лунными. Впрочем, по мнению некоторых учёных, таких столкновений могло быть несколько.
Могла ли быть плотная атмосфера у тела, сконденсировавшегося из облака раскалённого газа? Казалось бы, вода и другие "летучие вещества", как их называют за низкую температуру плавления, должны были полностью рассеяться в космосе. Но интуиция снова нас подводит.
Анализ лунного грунта показывает, что изначально в лунной магме было 750 частей воды на миллион, что сопоставимо со многими земными вулканическими породами. Между прочим, и у Земли до Великого Столкновения, по самым скромным подсчётам, было более чем в сто раз больше "летучих веществ", чем теперь. Впрочем, внутри нашей планеты всё ещё очень много воды.
Так могла ли в прошлом у Луны быть плотная атмосфера, образовавшаяся, как и земная, при дегазации вулканических лав? Новое исследование показывает, что да.
Научная группа под руководством Дебры Нидхэм (Debra Needham) из NASA рассчитала количество газов, которые выделялись при образовании Моря Ясности и Моря Дождей. Эти тёмные области на поверхности Луны и в самом деле можно назвать морями, только наполнены они не водой, а застывшей магмой, излившейся 3,8 и 3,5 миллиарда лет назад, соответственно.
Исследователи опирались на результаты предшественников, вычислявших структуру слоёв базальта в лунных морях. При этом использовались данные аппарата LOLA, составившего трёхмерные карты лунного рельефа с помощью лазера, зонда GRAIL, выполнявшего точные измерения лунной гравитации, и некоторых других космических аппаратов.
С помощью всех этих данных было установлено, сколько раскалённой лавы вылилось на лунную поверхность в разные периоды времени. Оставалось учесть количество газов, которое могло из неё выделиться. Этот вопрос также был уже исследован при изучении образцов, добытых экипажами 15-го и 17-го "Аполлонов".
Команда Нидхэм свела эти данные воедино и выяснила, с какой скоростью в атмосферу Луны поступало "дыхание лавы". Затем исследователи сосчитали, как менялась её плотность с учётом гравитации спутника Земли.
Расчёты учёных свидетельствуют, что газы выделялись быстрее, чем маленькая Луна теряла их в межпланетном пространстве. Пик плотности атмосферы был пройден 3,5 миллиарда лет назад. В те времена атмосферное давление на поверхности Селены было в 1,5 раза выше, чем сегодня на Марсе. Газовая оболочка постепенно рассеивалась, но, чтобы прийти к нынешнему плачевному состоянию, ей понадобилось 70 миллионов лет. Как отмечают авторы, их исследование заставляет кардинально пересмотреть взгляд на Луну как на принципиально безвоздушное небесное тело.
Детали исследования изложены в научной статье, принятой к публикации в журнале Earth and Planetary Science Letters.
Результаты авторов имеют и практическое значение. Они позволяют предположить, что на полюсах Луны имеются крупные запасы водяного льда. Ведь один из основных компонентов вулканических газов - вода (из них, кстати говоря, и образовались земные океаны). Вода есть и в вулканических отложениях нашего спутника, но содержание её столь мало, что добыча вряд ли окажется рентабельной для будущих колонистов. Другое дело - лёд в кратерах. Точно известно, что он там есть, но вот по поводу его количества нет надёжных данных. Работа Нидхэм и коллег вселяет оптимизм, быть может, достаточный, чтобы на водные ресурсы Луны могли рассчитывать переселенцы.
Между прочим, есть на поверхности Селены и более экзотический источник воды - её там в прямом смысле создаёт Солнце. А ещё на Луне не так давно обнаружили древнейший земной кислород. Вероятно, ночная прелестница готовит нам ещё немало открытий.
Луна - естественный спутник Земли, при наблюдении за которым возникает немало вопросов как у астрономов, так и у простых людей. И один из самых интересных следующий: существует ли атмосфера Луны?
Ведь если она есть, значит, возможна и жизнь на этом космическом теле, хотя бы самая примитивная. Постараемся ответить на этот вопрос максимально подробно и достоверно, используя последние научные гипотезы.
Есть ли на Луне атмосфера?
Большинство людей, задумавшихся над этим, довольно быстро дадут ответ. Конечно, атмосфера Луны отсутствует. Однако на самом деле это не так. Оболочка из газов на естественном спутнике Земли все-таки присутствует. А вот какую плотность имеет, какие газы входяд в состав лунного "воздуха" - это совсем другие вопросы, дать ответы на которые будет особенно интересно и важно.
Насколько она плотная?
К сожалению, атмосфера Луны очень разреженная. К тому же показатель плотности сильно меняется в зависимости от времени суток. Например, ночью на один кубический сантиметр лунной атмосферы приходится около 100 000 молекул газа. Днем этот показатель значительно изменяется - в десять раз. Из-за того что поверхность Луны сильно нагревается, плотность атмосферы падает до 10 тысяч молекул.
Кому-то этот показатель покажется впечатляющим. Увы, даже для самых неприхотливых существ с Земли такая концентрация воздуха будет смертельной. Ведь на нашей планете плотность составляет 27 х 10 в восемнадцатой степени, то есть 27 квинтиллионов молекул.
Если собрать весь газ на Луне и взвесить его, то получится удивительно маленькое число - всего-навсего 25 тонн. Поэтому, оказавшись на Луне без специального снаряжения, ни одно живое существо не сможет долгое время протянуть - хватит его в лучшем случае на несколько секунд.
Какие газы присутствуют в атмосфере
Теперь, когда мы установили, что Луна имеет атмосферу, хоть и очень-очень разреженную, можно перейти к следующему, не менее важному вопросу: какие газы входят в ее состав?
Основными компонентами атмосферы являются водород, аргон, гелий и неон. Впервые пробы были взяты экспедицией в рамках проекта "Аполлон". Именно тогда установили, что в состав атмосферы входят гелий и аргон. Уже значительно позже, используя специальное оборудование, астрономы, наблюдавшие за Луной с Земли, смогли установить, что она содержит также водород, калий и натрий.
Возникает вполне закономерный вопрос: если атмосфера Луны состоит из этих газов, то откуда же они взялись? С Землей все просто - многочисленные организмы, начиная от одноклеточных и заканчивая людьми, 24 часа в сутки превращают одни газы в другие.
А вот откуда взялась атмосфера Луны, если там нет и никогда не было живых организмов? На самом деле газы могли образоваться по самым разным причинам.
В первую очередь различные вещества были занесены многочисленными метеоритами, а также солнечным ветром. Все-таки на Луне выпадает значительно большее количество метеоритов, чем на Земле - опять же благодаря практически отсутствующей атмосфере. Кроме газа они могли принести на наш спутник даже воду! Имея большую плотность, чем газ, она не улетучивалась, а просто собиралась в кратеры. Поэтому сегодня ученые прилагают немало усилий, пытаясь отыскать хотя бы незначительные запасы - это может стать настоящим прорывом.
Как влияет разреженная атмосфера
Теперь, когда мы разобрались, какая атмосфера на Луне, можно внимательнее изучить вопрос о том, какое влияние она оказывает на ближайшее к нам космическое тело. Впрочем, точнее будет признать, что она практически никак не влияет на Луну. А вот к чему это приводит?
Начнем с того, что наш спутник совершенно не защищен от солнечной радиации. В результате, "прогулявшись" по его поверхности без специального, довольно мощного и громоздкого защитного оборудования, вполне можно получить радиоактивное облучение за считаные минуты.
Также спутник беззащитен перед метеоритами. Большинство из них, входя в атмосферу Земли, практически без остатка сгорают от трения об воздух. За год на планету выпадает около 60 000 килограммов космической пыли - вся она была метеоритами разного размера. На Луну же они падают в первозданном виде, так как ее атмосфера слишком разреженная.
Наконец, суточные перепады температуры просто огромные. Например, на экваторе днем почва может нагреваться до +110 градусов по Цельсию, а ночью - остывать до -150 градусов. На Земле этого не происходит благодаря тому, что плотная атмосфера играет роль своеобразного "одеяла", не пропускающего часть солнечных лучей до поверхности планеты, а также не позволяя теплу испариться ночью.
Всегда ли было так?
Как видите, атмосфера Луны представляет собой довольно безрадостное зрелище. Но неужели она всегда была такой? Всего несколько лет назад эксперты пришли к шокирующему мнению - оказывается, нет!
Около 3.5 миллиардов лет назад, когда наш спутник только формировался, в недрах шли бурные процессы - извержения вулканов, разломы, выплески магмы. В ходе этих процессоров в атмосферу выбрасывалось большое количество оксида серы, углекислого газа и даже воды! Плотность "воздуха" здесь в три раза превышала ту, которая сегодня наблюдается на Марсе. Увы, слабое притяжение Луны не смогло удержать эти газы - они постепенно испарялись, пока спутник не стал таким, каким мы можем видеть его в наше время.
Заключение
Наша статья подходит к концу. В ней мы рассмотрели ряд важных вопросов: есть ли атмосфера на Луне, как она появилась, какова ее плотность, из каких газов состоит. Будем надеяться, что вы запомните эти полезные факты и станете еще более интересным и эрудированным собеседником.
Луна заслуживает отдельного рассмотрения, потому что она спутник Земли, ближайшее к нам самое изученное небесное тело, первый космический объект, на котором произошла высадка человека.
Со времени облета Луны и фотографирования ее обратной стороны советской автоматической межпланетной станцией (АМС), совершенного 7 октября 1959 г., множество АМС самых разнообразных конструкций и различного назначения посылались в сторону Луны, становились ее искусственными спутниками или совершали посадку на поверхность Луны с экипажем или без него и возвращались на Землю с богатым сбором лунного грунта, с фотографиями ее поверхности, полученными либо с летающего, либо с посадочного аппарата. С помощью всех аппаратов, постепенно совершенствуя методику, добывали все новые и новые сведения о физических характеристиках Луны, отчасти перекрывая старые результаты, отчасти их исправляя.
Этот первый период изучения Луны космическими средствами завершился в 1972 г. полетом пилотируемого космического корабля «Аполлон-17» (США) и в 1976 г. полетом АМС «Луна-24» (СССР). Аппараты возвратились на Землю с новыми образцами пород, устилающих поверхность Луны. При этом общая масса собранного материала не столь уж важна, так как благодаря современному развитию методов геолого-минералогического анализа, включая определение возраста изучаемых пород, достаточно иметь образцы размером в доли миллиметра.
АТМОСФЕРА ЛУНЫ
Уже неоднократно Луна упоминалась как пример небесного тела, лишенного атмосферы. Это с очевидностью следует из мгновенного протекания покрытия звезд Луной (см. КПА 465), но утверждение это не носит абсолютного характера: как и в случае Меркурия, очень разреженная атмосфера может поддерживаться на Луне за счет выделения газов из поверхностных пород при их нагревании солнечным излучением, при «бомбардировке» их метеоритами и корпускулами, исходящими из Солнца.
Верхняя граница для плотности лунной атмосферы может быть установлена из поляризационных наблюдений у терминатора, особенно на краю лунных рогов, где толща гипотетической атмосферы, пронизываемая лучом зрения, наибольшая. В квадратурах, т. е. вблизи первой и последней четверти, поляризация рогов должна была бы быть полной [формула (33.32)]. Да и простое сумеречное рассеяние света должно вызвать удлинение рогов. Ни удлинения рогов, ни даже ничтожной поляризации в их окрестностях не наблюдалось, и это приводит к оценке плотности лунной атмосферы не выше плотности земной атмосферы на уровне моря, т. е. не больше 1010 молекул в 1 см3.
Такие результаты наземных наблюдений сильно завышены. Приборами, работавшими на Луне продолжительное время, формальные признаки атмосферы обнаружены, но это - всего лишь атомы и ионы у самой поверхности Луны в самой ничтожной концентрации ( частиц в секунду через 1 см2 площади детектора). О том же говорит ничтожная яркость фона, создаваемого водородными атомами при резонансном рассеянии в линии (их оказывается всего лишь 50 в 1 см3). Обнаружены также в очень небольшом количестве следы изотопа , образующегося при распаде радиоактивного , и атомы гелия (в ночное время). Последний, как и водород, конечно, приходит вместе с солнечным ветром.
Фактически газы на Луне наблюдались и спектроскопическим путем при фотографировании спектра лунного цирка Альфонс 2-3 ноября 1958 г. (Козырев, Езерский). На спектрограмме в той ее полоске, которая соответствует спектру центральной горки Альфонса, отчетливо видны эмиссионные полосы как результат люминесценции газовых молекул под действием солнечного излучения. Явление наблюдалось всего лишь один раз и было связано, по-видимому, с процессами, подобными вулканическим, или с тектоническими перемещениями у поверхности Луны, которые вызвали выход наружу газов, прежде запертых. Состав выделившихся газов не поддается точному определению, за исключением углерода . Конечно, удерживаться на поверхности Луны длительное время такой газ не может - скорость ускользания на Луне равна всего лишь 2,38 км/с. Но и поиски значительно более тяжелого газа, как сернистый газ , несмотря на всю тщательность, были безуспешными. Не обнаружен был и озон
> > > Атмосфера Луны
Есть ли прочная атмосфера на Луне? Нет. Поэтому до сих пор существует подозрение, что миссия Аполлона могла быть поддельной (флаг не мог развиваться, так как нет ветра). Но там есть очень тонкий газовый слой, который технически именуют атмосферой Луны .
В этом слое газы настолько распространены, что практически не сталкиваются. Они напоминают микроскопические пушечные ядра, путешествующие по изогнутым траекториям и отражающиеся от поверхности. Если брать по объему, то на один см 3 атмосферы приходится 100 молекул (на уровне моря Земли на см 3 выпадает 100 миллиардов миллиард молекул). Общая масса газов – 25000 кг.
В атмосфере Луны было найдено несколько элементов. Недавно Lunar Reconnaissance Orbiter наткнулся на гелий. Астронавты Аполлона оставили на поверхности детекторы, которые отыскали: аргон-40, метан, гелий-4, азот, углекислый газ и окись углерода. Наземные спектрометры также нашли натрий и калий, а Лунный Геолог (Lunar Prospector orbiter) – радиоактивные изотопы радона и полония.
Появлению атмосферы Луна обязана процессу дегазации. Это выпуск газов из пространства из-за радиоактивного распада. Подобное может возникать и во время землетрясения. Освободившись, легкие газы удаляются в пространство.
Кроме того, газы из почвы выделяются из-за постоянного влияния солнечного света и ветра, а также микрометеоритов, падающих на поверхность. Это называют распылением. Такие газы могут удалиться в космос или же путешествуют по лунной почве. Распыление способно объяснить, каким образом лед накапливается в кратерах. Кометы могли оставить на спутнике молекулы воды, которые собрались в кратерах и создали толстые ледяные слои.
Лунное сияние
Ультрафиолетовые солнечные лучи влияют на выделившиеся газы, из-за чего выталкиваются электроны. Они получают электрический заряд, который отправляет частицы высоко в небо. Ночью происходит обратный процесс, в котором электроны оседают на почву.
Этот пыльный фонтан функционирует вдоль границы между днем и ночью, создавая Свечение Лунного Горизонта. Астронавты описывали лунную пыль, как липкий песок. Это становится причиной опасности для техники. Когда команда вернулась на Землю, то их скафандры были потерты. Поэтому придется узнать как можно больше о лунных процессах, прежде чем отправлять новые человеческие миссии. А пока вы знаете, как выглядит лунная атмосфера.