Лунный грунт - Lunar soil

След Базза Олдрина на лунном грунте
Реголит, собранный во время миссии Аполлона 17

Лунный грунт является мелкой фракцией из реголита , найденного на поверхность на Луне . Его свойства могут существенно отличаться от земной почвы . Физические свойства лунного грунта в первую очередь являются результатом механического разрушения базальтовых и анортозитовых пород, вызванного постоянными ударами метеоров и бомбардировкой солнечными и межзвездными заряженными атомными частицами в течение многих лет. Этот процесс в основном представляет собой механическое выветривание, при котором частицы измельчаются до более мелкого и мелкого размера с течением времени. Эта ситуация в корне отличается от земного почвообразования, опосредованного присутствием молекулярного кислорода (O 2 ), влажности, атмосферного ветра и множества способствующих биологических процессов. Некоторые утверждали, что термин « почва» неверен по отношению к Луне, потому что на Земле почва определяется как имеющая органическое содержание, тогда как на Луне их нет. Однако стандартное употребление лунных ученых игнорирует это различие.

Лунный грунт обычно относится только к более мелкой фракции лунного реголита , который состоит из зерен диаметром 1 см или меньше, но часто используется взаимозаменяемо. Лунная пыль обычно означает даже более мелкие материалы, чем лунная почва . Официального определения того, какой размер фракции составляет «пыль», нет; одни устанавливают отсечку менее 50 мкм в диаметре, а другие - менее 10 мкм.

Формирование процессов

Оранжевая почва, обнаруженная на Аполлоне-17 - результат вулканических стеклянных бусин

Основными процессами, участвующими в формировании лунного грунта, являются:

Эти процессы продолжают со временем изменять физические и оптические свойства почвы, и это известно как космическое выветривание . Кроме того, фонтан огня, при котором вулканическая лава поднимается и охлаждается, превращаясь в маленькие стеклянные шарики, прежде чем упасть обратно на поверхность, может создавать небольшие, но важные отложения в некоторых местах, таких как оранжевая почва, обнаруженная в кратере Шорти в долине Таурус-Литтроу . Apollo 17 , и зеленое стекло найдены в Hadley-Апеннинского от Apollo 15 . Отложения вулканических бусинок также считаются источником отложений темной мантии (DMD) в других местах вокруг Луны.

Минералогия и состав

Лунный грунт состоит из различных типов частиц, включая обломки горных пород, мономинеральные фрагменты и различные виды стекол, включая частицы агглютината, вулканические и ударные сферулы. Агглютинаты образуются на поверхности Луны в результате ударов микрометеоритов, которые вызывают мелкомасштабное плавление, которое сплавляет соседние материалы вместе с крошечными частичками металлического железа (Fe 0 ), встроенными в стеклянную оболочку каждой частицы пыли. Со временем материал перемешивается как по вертикали, так и по горизонтали (процесс, известный как «садоводство») с помощью ударных процессов. Однако вклад материала из внешних источников относительно невелик, так что состав почвы в любом данном месте в значительной степени отражает состав местных коренных пород.

Есть два существенных отличия в химическом составе лунного реголита и почвы от земных материалов. Во-первых, Луна очень сухая. В результате те минералы, в структуре которых присутствует вода ( гидратация минералов ), такие как глина , слюда и амфиболы , полностью отсутствуют на Луне. Второе отличие состоит в том, что лунный реголит и кора химически восстановлены , а не значительно окислены, как земная кора. В случае реголита это отчасти связано с постоянной бомбардировкой лунной поверхности протонами (то есть ядрами водорода (H)) солнечным ветром. Одним из следствий этого является то, что железо на Луне находится в металлических состояниях окисления 0 и +2, тогда как на Земле железо находится в основном в состояниях окисления +2 и +3.

Свойства

Короткое видео, на котором лунный движущийся аппарат поднимает лунный реголит ( Аполлон-16 , 1972 г.)

Большое значение имеет получение соответствующих знаний о свойствах лунного грунта. Возможности строительства сооружений, наземных транспортных сетей и систем удаления отходов, если назвать несколько примеров, будут зависеть от реальных экспериментальных данных, полученных при испытании образцов лунного грунта. Несущая способность грунта - важный параметр при проектировании таких сооружений на Земле.

Из-за бесчисленного множества ударов метеоритов (со скоростями в диапазоне 20 км / с) поверхность Луны покрывается тонким слоем пыли. Пыль электрически заряжена и прилипает к любой поверхности, с которой соприкасается. Плотность лунного реголита около 1,5 г / см 3 . Под верхним слоем реголита почва становится очень плотной. Другие факторы , которые могут влиять на свойства лунного грунта включают большие температурные перепады , наличие жесткого вакуума , а также отсутствие значительного лунного магнитного поля , тем самым позволяя заряженные солнечные ветра частицы непрерывно ударяются о поверхность Луны.

Фонтаны из лунной пыли и электростатическая левитация

Есть некоторые свидетельства того, что на Луне может быть разреженная атмосфера, состоящая из движущихся частиц пыли, постоянно подпрыгивающих и падающих на поверхность Луны, создавая «пылевую атмосферу», которая выглядит статичной, но состоит из частиц пыли, находящихся в постоянном движении. Термин «лунный фонтан» был использован для описания этого эффекта по аналогии с потоком молекул воды в фонтане, движущимся по баллистической траектории, но статичным из-за постоянства потока. Согласно модели , предложенной в 2005 году в лаборатории внеземной физики в НАСА «s Goddard Space Flight Center , это вызвано электростатическим левитации . На дневной стороне Луны солнечное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение достаточно энергично, чтобы выбивать электроны из атомов и молекул в лунном грунте. Положительные заряды накапливаются до тех пор, пока мельчайшие частицы лунной пыли (размером 1 микрометр и меньше) отталкиваются от поверхности и поднимаются на высоту от нескольких метров до километров, при этом мельчайшие частицы достигают самых высоких высот. В конце концов они падают обратно на поверхность, где процесс повторяется. С ночной стороны пыль заряжается отрицательно электронами солнечного ветра . Действительно, модель фонтана предполагает, что на ночной стороне будет большая разница напряжений, чем на дневной стороне, что, возможно, приведет к запуску пылевых частиц с более высокими скоростями и высотами. Этот эффект можно было бы еще больше усилить на той части орбиты Луны, где она проходит через хвост магнитосферы Земли ; см. Магнитное поле Луны для более подробной информации. На терминаторе могут образовываться значительные горизонтальные электрические поля между дневной и ночной областями, что приводит к горизонтальному переносу пыли - форме «лунной бури».

Лунные "сумеречные лучи", сделанные астронавтами Аполлона-17

Этот эффект был предсказан в 1956 году писателем-фантастом Хэлом Клементом в его рассказе «Пыльная тряпка», опубликованном в Astounding Science Fiction .

Есть некоторые свидетельства этого эффекта. В начале 1960-х годов Surveyor 7 и несколько предшествующих космических кораблей Surveyor , совершивших мягкую посадку на Луну, вернули фотографии, показывающие безошибочное сумеречное свечение над лунным горизонтом, сохраняющееся после захода Солнца. Более того, далекий горизонт между землей и небом не выглядел острым как бритва, как можно было бы ожидать в вакууме, где не было атмосферной дымки. Астронавты Аполлона-17, вращавшиеся вокруг Луны в 1972 году, неоднократно видели и зарисовывали то, что они по-разному называли «полосами», «стримерами» или «сумеречными лучами», примерно за 10 секунд до лунного восхода или лунного заката. О таких лучах также сообщали астронавты на борту Аполлона 8, 10 и 15. Они могли быть похожи на сумеречные лучи на Земле.

Аполлон-17 также провел эксперимент на поверхности Луны под названием LEAM , сокращенно от Lunar Ejecta и Meteorites. Он был разработан для поиска пыли, поднимаемой небольшими метеороидами, ударяющимися о поверхность Луны. У него было три датчика, которые могли регистрировать скорость, энергию и направление крошечных частиц: по одному, направленным вверх, на восток и запад. LEAM каждое утро видел большое количество частиц, в основном приходящих с востока или запада, а не сверху или снизу, и в основном медленнее, чем ожидалось для лунных выбросов. Кроме того, через несколько часов после каждого восхода Луны температура в эксперименте повысилась почти до 100 градусов Цельсия, поэтому устройство пришлось временно выключать из-за его перегрева. Предполагается, что это могло быть результатом прилипания электрически заряженной лунной пыли к LEAM, затемняя его поверхность, так что экспериментальный пакет поглощал, а не отражал солнечный свет. Однако ученые не смогли точно определить источник проблемы, так как LEAM проработал недолго до завершения программы Apollo.

Возможно, эти штормы были замечены с Земли: на протяжении столетий были сообщения о странных светящихся огнях на Луне, известных как « временные лунные явления » или TLP. Некоторые TLP наблюдались как кратковременные вспышки, которые сейчас считаются видимым свидетельством столкновения метеороидов с лунной поверхностью. Но другие выглядели как аморфное красноватое или беловатое свечение или даже как темные туманные области, которые меняют форму или исчезают в течение секунд или минут. Это могло быть результатом отражения солнечного света от взвешенной лунной пыли.

Вредное действие лунной пыли

В исследовании НАСА 2005 года перечислено 20 рисков, требующих дальнейшего изучения, прежде чем люди решат отправиться в экспедицию на Марс, и «пыль» названа проблемой №1. В отчете содержится призыв изучить его механические свойства, коррозионную активность, песчанистость и влияние на электрические системы. Большинство ученых думают, что единственный способ окончательно ответить на вопросы - это вернуть на Землю образцы марсианской почвы и горных пород задолго до запуска каких-либо астронавтов.

Хотя в этом отчете речь шла о марсианской пыли, беспокойство в равной степени справедливо и в отношении лунной пыли. Пыль, обнаруженная на поверхности Луны, может оказать вредное воздействие на любую технику аванпоста человека и членов экипажа:

  • Потемнение поверхностей, приводящее к значительному увеличению лучистой теплоотдачи ;
  • Абразивный характер частиц пыли может истирать и изнашивать поверхности за счет трения;
  • Негативное воздействие на покрытия, используемые на прокладках для герметизации оборудования из космоса, оптических линз, солнечных панелей и окон, а также на электропроводку;
  • Возможное повреждение легких, нервной и сердечно-сосудистой систем космонавта;
  • Возможный повышенный риск искрения скафандра из-за воздействия мелких пылинок на космическую среду.

Принципы космонавтической гигиены следует использовать для оценки рисков воздействия лунной пыли во время исследования поверхности Луны и, таким образом, определения наиболее подходящих мер по контролю воздействия. Они могут включать снятие скафандра в трехступенчатом воздушном шлюзе, «пропылесосить» скафандр с помощью магнита перед удалением и использовать локальную вытяжную вентиляцию с высокоэффективным фильтром твердых частиц для удаления пыли из атмосферы космического корабля.

Вредные свойства лунной пыли малоизвестны. Однако, основываясь на исследованиях пыли, обнаруженной на Земле, ожидается, что воздействие лунной пыли приведет к большему риску для здоровья как от прямого воздействия (острое), так и при длительном воздействии (хроническое). Это связано с тем, что лунная пыль более химически активна и имеет большую площадь поверхности, состоящую из более острых зазубренных краев, чем земная пыль. Если химически активные частицы откладываются в легких, они могут вызвать респираторное заболевание. Длительное воздействие пыли может вызвать более серьезное респираторное заболевание, подобное силикозу . Во время исследования Луны скафандры космонавтов загрязнятся лунной пылью. При снятии костюмов пыль будет выброшена в атмосферу. Методы, используемые для смягчения воздействия, будут включать обеспечение высокой скорости рециркуляции воздуха в воздушном шлюзе, использование "двойного скафандра", использование пылезащитных экранов, использование магнитной сепарации высокой степени и использование солнечного потока для спекания. и расплавить реголит.

Текущая доступность

Астронавты "Аполлона" привезли около 360 кг лунных камней с шести посадочных площадок. Хотя этот материал был изолирован в бутылках с вакуумной упаковкой, сейчас он непригоден для подробного химического или механического анализа - частицы песка повредили индиевые уплотнения острой кромки вакуумных бутылок; воздух медленно просачивался внутрь. Каждый образец, привезенный с Луны, был загрязнен земным воздухом и влажностью. Пыль приобрела патину ржавчины, и в результате соединения с земными молекулами воды и кислорода ее химическая активность давно исчезла. Химические и электростатические свойства почвы больше не соответствуют тому, что будущие астронавты встретят на Луне.

Загрязненные лунной пылью предметы наконец стали доступны публике в 2014 году, когда правительство США одобрило продажу частных материалов, принадлежащих и собранных астронавтами. С тех пор на продажу был выпущен только один предмет из настоящей лунной пыли, собранной после того, как предмет провел на Луне более 32 часов. Ремешок для багажа, подвергшийся воздействию элементов Луны в течение 32 часов, часть скафандра Чарльза «Пита» Конрада во время миссии «Аполлон-12», был продан его имением частному покупателю на аукционе. В 2017 году лунный грунт, собранный Нилом Армстронгом в 1969 году, был выставлен на аукцион. В то время как многие производители ювелирных изделий и часов заявляют, что их продукция содержит «лунную пыль», изделия содержат только частицы или пыль от метеоритов, которые, как считается, произошли с Луны. 11 сентября 2020 года НАСА объявило о своем желании создать рынок лунного грунта, запросив предложения о покупке лунного грунта у коммерческих поставщиков.

Проект Чанъэ-5

16 декабря 2020 года китайская миссия Chang'e 5 вернулась на Землю с грузом примерно в 2 килограмма камня и «почвы», который она подобрала с Луны. Это первый образец лунных пород, вернувшийся на Землю с 1976 года. Китай - третья страна в мире, вернувшая на Землю лунную «почву».

Подробнее на: https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-55323176.

Chang'e-5 является частью 1-й фазы Китайской программы исследования Луны . На этом этапе программы еще осталось 3 проекта (Чанъэ-6 в 2024 году, Чанъэ-7 в 2023 году и Чанъэ-8 в 2027 году).

Второй этап программы - высадка китайских астронавтов на Луну в период с 2030 по 2039 год.

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки