Jakie procesy odpowiadają za powstawanie egzosfery Księżyca?
Księżyc otacza niezwykle rzadka warstwa gazowa, określana jako egzosfera. Jej pochodzenie od dawna interesuje naukowców. Dotychczas wskazywano dwa główne mechanizmy odpowiedzialne za jej powstawanie. Pierwszym są uderzenia niewielkich meteoroidów w powierzchnię Srebrnego Globu, drugim zaś oddziaływanie cząstek wiatru słonecznego z księżycowym gruntem. Najnowsze badania materiału pobranego podczas misji Apollo wykazały jednak, że właściwości powierzchni naturalnego satelity Ziemi ograniczają jej erozję wywoływaną przez wiatr słoneczny.
Zespół badawczy z University of Bern i TU Wien po raz pierwszy przeprowadził bezpośrednie pomiary uwalniania atomów i cząsteczek z księżycowej gleby pod wpływem wiatru słonecznego. Zjawisko to nazywane jest rozpylaniem i polega na wybijaniu mikroskopijnych cząstek materiału z powierzchni ciała stałego przez bombardujące ją wysokoenergetyczne cząstki plazmy lub gazu.
Doświadczenie różniło się od wcześniejszych analiz, w których wykorzystywano materiały ziemskie zastępujące próbki księżycowe. Tym razem naukowcy posłużyli się rzeczywistym pyłem zebranym podczas misji Apollo 16. Poddali go działaniu jonów wodoru i helu, poruszających się z prędkościami typowymi dla wiatru słonecznego. Rezultaty badań opublikowano w czasopiśmie Communications Earth & Environment.
Pomiary wykazały, że skala rozpylania wywołanego przez wiatr słoneczny jest mniejsza, niż przewidywały dotychczasowe modele egzosfery Księżyca. Według badaczy odpowiadają za to przede wszystkim dwa niedostatecznie uwzględniane wcześniej czynniki: nierówności powierzchni oraz porowata i luźna struktura księżycowego regolitu.
Nierówności gruntu ograniczają oddziaływanie wiatru słonecznego
W skali mikroskopowej powierzchnia Księżyca charakteryzuje się dużą chropowatością i porowatością. Jak wynika z badań, jej budowa zmniejsza skutki bombardowania przez wiatr słoneczny. Jony docierające do nieregularnego terenu, pełnego zagłębień i nierówności, mogą zatrzymywać się w niewielkich przestrzeniach albo uderzać pod takim kątem, który osłabia ich zdolność do wybijania materiału.
Znaczenie ma również porowata budowa regolitu. Wraz z nierównościami powierzchni ogranicza ona wydajność procesu rozpylania. Połączenie obu właściwości sprawia, że tempo erozji w niewielkim stopniu zależy od kąta, pod jakim wiatr słoneczny dociera do gruntu. Mechanizm ten występuje zatem na rozległych obszarach Księżyca, niezależnie od szerokości geograficznej.
Aby dokładniej zbadać to zjawisko, astronomowie przygotowali trójwymiarowe symulacje komputerowe przedstawiające strukturę księżycowej powierzchni. W modelach uwzględniono również wolne przestrzenie pomiędzy ziarnami pyłu. Wyniki pokazały, że porowata, luźna struktura gruntu wyraźnie zmniejsza liczbę atomów uwalnianych wskutek bombardowania wiatrem słonecznym.
Uderzenia mikrometeoroidów mogą odpowiadać za większość materiału egzosfery
Uzyskane wyniki pozwalają inaczej spojrzeć na procesy prowadzące do utraty materiału przez Księżyc. Z przeprowadzonych analiz wynika, że rozpylanie księżycowego gruntu jest nawet dziesięciokrotnie słabsze, niż zakładały wcześniejsze szacunki.
Wskazuje to, że największy udział w dostarczaniu materii do egzosfery mogą mieć uderzenia mikrometeoroidów, a nie oddziaływanie wiatru słonecznego. Niewielkie obiekty skalne, które nieustannie bombardują powierzchnię Srebrnego Globu, mogą więc stanowić główne źródło jego cienkiej otoczki gazowej.
Poznanie sposobu oddziaływania wiatru słonecznego z powierzchniami ciał niebieskich pozbawionych atmosfery ma znaczenie dla kolejnych przedsięwzięć kosmicznych. Dotyczy to między innymi programu NASA Artemis oraz misji BepiColombo Europejskiej Agencji Kosmicznej, której celem jest Merkury.
W przypadku Księżyca wyniki pomagają wyjaśnić rozbieżności między wcześniejszymi obserwacjami a przewidywaniami modeli teoretycznych. Dopiero wykorzystanie rzeczywistych próbek księżycowych i odpowiednich metod badawczych pozwoliło naukowcom potwierdzić, w jaki sposób właściwości powierzchni ograniczają oddziaływanie wiatru słonecznego.
Mariusz Drzewiecki
