Лунная пыль над освещенной стороной Луны

В 1959 году американский фантаст и популяризатор науки Айзек Азимов опубликовал научно-популярную статью «14 Million Tons of Dust Per Year» в журнале Science Digest. Хотя величина 14 млн тонн и касалась количества пыли, падающей на всю поверхность Земли за год, эти данные позволили оценить ожидаемую толщину слоя пыли на лунной поверхности в несколько десятков метров. Основываясь на этих предположениях, британский фантаст Артур Кларк в 1961 году опубликовал научно-фантастический роман «Лунная пыль». По сюжету романа на Луне, покрытой очень толстым слоем пыли, присутствуют лунные поселения и между ними курсируют специальные корабли-пылеходы.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Проекты долговременного лунного поселения разрабатывались в СССР примерно с 1960 года, в конструкторском бюро общего машиностроения под руководством Владимира Бармина. Идею создания таких поселений выдвинул С. П. Королев, а за образец приняли модули, используемые при устройстве станций в Антарктиде. Часть специалистов предполагала, что Луна, покрытая толстым слоем пыли, поглотит любой прилунившийся аппарат, а тем более постройку. Существует легенда, что бесконечным спорам по этому поводу положил конец сам Сергей Королев. На одном из совещаний он написал в блокноте: «Луна — твердая. С. Королев», поставил дату, расписался и вручил листок с «резолюцией» своему оппоненту. Легенда легендой, но сохранилась его записка с примерно таким — по смыслу — текстом.

Сергей Королев оказался прав. Уже в 1966 году сконструированная с учетом предположения о достаточно твердом грунте Луны (типа пемзы) посадку на ее поверхность совершила советская автоматическая станция «Луна-9». Американские астронавты, побывавшие на Луне в 1969–1972 годах, выяснили, что слой пыли на лунной поверхности не превышает нескольких сантиметров или десятков сантиметров. За счет адгезии эта пыль прилипает к скафандрам астронавтов, поверхностям космических аппаратов, приборам и устройствам, что может угрожать работе систем. Например, на поверхности приборов, покрытых пылью, резко возрастает поглощение солнечного излучения, что может привести к их перегреву. На скафандрах пыль заносится внутрь лунного модуля, и весь трехдневный обратный путь на Землю астронавты могут вдыхать ее частицы, присутствующие в состоянии невесомости в воздухе. Таким образом, лунная пыль представляет собой существенный фактор риска и для здоровья астронавтов.

Важна роль в будущих лунных исследованиях пыли в приповерхностном слое над Луной. На посадочных модулях станций «Луна-25» и «Луна-27» предполагается разместить аппаратуру, которая будет как непосредственно детектировать пылевые частицы над поверхностью Луны, так и осуществлять оптические измерения.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Пыль в приповерхностном слое над Луной имеет свои особенности. Прежде всего там доминируют электростатические и плазменно-пылевые процессы. Поверхность Луны заряжается под действием электромагнитного излучения Солнца, плазмы солнечного ветра, плазмы хвоста магнитосферы Земли. При взаимодействии с солнечным излучением и поверхность Луны, и частицы пыли испускают электроны вследствие фотоэффекта, что приводит к формированию над поверхностью слоя фотоэлектронов. Но одновременно и пылевые частицы, и поверхность поглощают фотоэлектроны, фотоны солнечного излучения, электроны и ионы солнечного ветра, а если Луна находится в хвосте магнитосферы Земли, то электроны и ионы плазмы магнитосферы. Все эти процессы приводят к зарядке пылевых частиц, их взаимодействию с заряженной поверхностью Луны, подъему и движению пыли. На перенос пыли над Луной влияет также магнитное поле Земли (см. рис. 1).

Интерес к описанию плазменно-пылевой системы в окрестности Луны резко возрос в конце 1990-х годов, когда были разработаны методы исследования пылевой плазмы. Удалось, в частности, изучить плазменно-пылевую систему в приповерхностном слое освещенной части Луны, в том числе и в области высоких лунных широт, где предполагается осуществить прилунение посадочных модулей станций «Луна-25» и «Луна-27».

Исследование освещенной части Луны важно для этих проектов, поскольку работа станций, питающихся от солнечных батарей, будет происходить в основном во время лунного дня. Представленные на рис. 2 (а–в) гистограммы описывают расчеты концентраций пылевых частиц над поверхностью Луны для углов между местной нормалью и направлением на Солнце, равных 77°, 82° и 87°. Видно, что поведение частиц сильно зависит от этого угла. На рис. 2 (г) показано, до каких максимально возможных высот могут подняться пылевые частицы. Полученные данные опровергают выводы более ранних работ о существовании так называемой мертвой зоны в области лунных широт около 80°, где пылевые частицы не поднимаются от поверхности. Именно указанная область широт и представляет интерес, поскольку, как уже отмечалось, прилуниться станции «Луна-25» и «Луна-27» должны будут в области высоких широт. Наклон оси Луны относительно плоскости эклиптики составляет всего 1,5°, поэтому лунная широта мало отличается от этих углов. Таким образом, подъем пылевых частиц над поверхностью Луны возможен во всем диапазоне широт, и никакой мертвой зоны, где частицы бы не поднимались вверх, нет.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

При расчетах параметров плазменно-пылевой системы важен квантовый выход лунного реголита, то есть количество электронов, выбиваемых одним фотоном с поверхности реголита. Имеющиеся к настоящему времени данные по квантовому выходу лунной породы недостаточно надежны. Так, например, даже при экспериментальных исследованиях частиц лунного реголита, доставленных в миссиях Apollo-14, -15, не было возможности работать с образцами, хранившимися до этого в высоком вакууме. Манипуляции с частицами осуществлялись в инертной атмосфере, содержащей примеси. Поверхность образцов подвергалась воздействию чужеродных веществ, ее квантовый выход и работа выхода могли измениться. Поэтому надо эти параметры определить методами, исключающими взаимодействие образцов с земным воздухом. Обеспечить доставку лунного грунта так, чтобы избежать его контакта с земной атмосферой, довольно сложно. Идеальным решением проблемы было бы проведение исследования непосредственно на Луне.

Существенной мотивацией исследований пыли над поверхностью Луны служат планы создания обитаемой лунной базы, обсуждения которой ведутся достаточно активно. Как отмечал астронавт миссии Apollo-17 Харрисон Шмитт: «Пыль — это экологическая проблема номер один на Луне». Она явно неполезна, особенно при попадании в легкие. Если в лунных экспедициях 1960–1970-х годов контакт с лунной пылью был короток, то при использовании обитаемых лунных баз проблему лунной пыли придется решать, чтобы избежать серьезных проблем со здоровьем у участников лунной экспедиции. Да и аппаратуре эта пыль вряд ли будет полезна. Лунная пыль представляет собой существенный фактор риска и важный объект для исследований.

Сергей Попель, Институт космических исследований РАН, Москва, Россия