АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, том 47, № 6, с. 455-466
УДК 523.36; 533.951
ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА У ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ
© 2013 г. С. И. Попель1, С. И. Копнин1, А. П. Голубь1, Г. Г. Дольников2, А. В. Захаров2,
Л. М. Зеленый2, Ю. Н. Извекова1
Институт динамики геосфер РАН, Москва, Россия 2Институт космических исследований РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 24.12.2012 г.
Представлена теоретическая модель для самосогласованного описания концентраций фотоэлектронов и пылевых частиц над поверхностью освещенной части Луны. Модель учитывает положение места наблюдения, а также эффекты образования фотоэлектронов на поверхности Луны и поверхностях пылевых частиц, динамики пылевых частиц в электрическом и гравитационном полях, зарядки пылевых частиц за счет их взаимодействия с фотонами солнечного излучения, электронами и ионами солнечного ветра, фотоэлектронами и т.д. Получено выражение, описывающее распределение фотоэлектронов над поверхностью освещенной части Луны. Выполнен расчет распределений по размерам и высотам подъема заряженных пылевых частиц над освещенными участками поверхности Луны для различных значений угла между местной нормалью и направлением на Солнце. Показано, что не существует существенных ограничений на место посадки аппаратов будущих лунных миссий, изучающих пыль в приповерхностном слое Луны.
DOI: 10.7868/S0320930X13060078
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время немаловажная роль в лунных исследованиях принадлежит исследованиям пыли как у поверхности Луны, так и в лунной эк-зосфере. В России готовятся миссии Луна-Глоб и Луна-Ресурс (последняя — совместно с Индией). На посадочных модулях станций Луна-Глоб и Луна-Ресурс предполагается разместить аппаратуру, которая будет как непосредственно детектировать пылевые частицы над поверхностью Луны, так и осуществлять оптические измерения. В американской миссии LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer), которую предполагается осуществить в 2013 г., лунная пыль будет изучаться с помощью наблюдений с орбиты.
Наблюдения лунной пыли имеют довольно давнюю историю. Астронавты, побывавшие на Луне, выяснили, что слой пыли на лунной поверхности составляет несколько сантиметров. Во время космических миссий кораблей Apollo к Луне было замечено, что солнечный свет рассеивается в области терминатора, что, в свою очередь, приводит к формированию лунных зорь ("lunar horizon glow") и стримеров над лунной поверхностью (Rennilson, Criswell, 1974). Последующие наблюдения показали, что при этом рассеяние солнечного света наиболее вероятно происходит на заряженных пылевых частицах, источником которых служит поверхность Луны (Zook, McCoy,
1991). На основе данных, полученных со спускаемых космических аппаратов Surveyor, был сделан вывод, что пылевые частицы с размерами около 5 мкм, могут парить над поверхностью Луны приблизительно в 10 см от поверхности. В миссиях Apollo проводились наблюдения субмикронной пыли в лунной экзосфере на высотах вплоть до (примерно) 100 км. Тот факт, что пыль может парить над поверхностью Луны, способствует объяснению ряда кратковременных лунных явлений таких, как потемнения, красноватое и голубоватое сияние, смутная видимость, зори, а также теневые и контрастные эффекты.
Фактически общепринятым в настоящее время считается, что пыль над лунной поверхностью является составной частью плазменно-пылевой системы. Поверхность Луны заряжается под действием электромагнитного излучения Солнца, плазмы солнечного ветра, плазмы хвоста магнитосферы Земли. При взаимодействии с солнечным излучением поверхность Луны испускает электроны вследствие фотоэффекта, что приводит к формированию над поверхностью слоя фотоэлектронов. К появлению фотоэлектронов приводит также их испускание пылевыми частицами, парящими над поверхностью Луны, вследствие взаимодействия последних с электромагнитным излучением Солнца. Пылевые частицы, находящиеся на поверхности Луны или в приповерхностном слое, 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. Считают (Stubbs и др., 2006), что мелкие пылевые частицы (с размерами, меньшими нескольких мкм), отталкиваясь от поверхности, могут подниматься вверх до высот от нескольких метров до километров над поверхностью Луны.
Интерес к описанию плазменно-пылевой системы в окрестности Луны резко возрос в конце 1990-х годов, что было связано с разработкой к этому времени методов исследования пылевой плазмы, в том числе и в природных системах (Ver-heest, 2000; Shukla, Mamun, 2002; Fortov и др., 2005; Tsytovich и др., 2008). Существенное внимание уделялось экспериментальным методам исследований, моделирующим условия вблизи поверхности Луны (Arnas и др., 1999; 2000; Sicka-foose и др., 2001; 2002; Sternovsky и др., 2002; Colwell и др., 2007; 2009). Теоретические исследования плазменно-пылевой системы в приповерхностном слое Луны осуществлялись, в основном, на основе рассмотрения движения единичных заряженных пылевых частиц (Stubbs и др., 2006; Sternovsky и др., 2008; Голубь и др., 2012). При этом, естественно, пренебрегалось влиянием фотоэлектронов от парящих пылевых частиц, поскольку для описания этого эффекта необходимо иметь данные о приповерхностной концентрации пыли на Луне. Однако для того чтобы дать адекватное теоретическое описание концентраций заряженной пыли над Луной, необходимо учесть влияние фотоэлектронов от пылевых частиц, которые влияют на заряды (и, соответственно, траектории) последних. Отметим, что имеющиеся работы (Stubbs и др., 2007; Glenar и др., 2011; Голубь и др., 2012) описывают концентрации пыли либо на основе модели, в которой не учитываются фотоэлектроны от парящих пылевых частиц (Stubbs и др., 2007; Голубь и др., 2012), либо на основе анализа наблюдений рассеяния света пылью в миссии Apollo-15 (Glenar и др., 2011). При этом в (Glenar и др., 2011) характерный масштаб высот, на которых оцениваются концентрации пыли, составляет километры.
Недавние исследования (Mitrofanov и др., 2010) по детектированию потоков нейтронов, прошедших через участки лунной поверхности в южном полушарии Луны, проведенные Lunar Reconnaissance Orbiter, показали присутствие в приповерхностной зоне Луны в области широт, превышающих 70°, областей, обогащенных водородом. Возможно исследование (Mitrofanov и др.,
2010) указывает на присутствие льда в приповерхностных областях Луны, а, возможно, существование приповерхностных областей водорода обусловлено электронами и протонами солнечного ветра, которые, ударяясь о Луну, поглощаются (имплантируются) ее поверхностью, где они образуют нейтральные атомы и молекулы водорода или химические соединения, содержащие водород, например, относящиеся к гидроксильным группам ^агакЫпа, 2001). Данный имплантированный водород может концентрироваться на поверхности Луны. Механизм этого процесса следующий. Протоны солнечного ветра поглощаются в частицах лунного реголита на глубинах до 10-5 см. В конце пробега протонов происходит их химическое связывание с атомами, составляющими лунный реголит, в частности с атомами кислорода; при этом десятки процентов атомов кислорода в участках лунного грунта, взаимодействующих с протонами солнечного ветра, оказываются связанными в гидроксильные группы ОН. Этот имплантированный водород в результате диффузии выходит на поверхность Луны. Десорбция связанного таким образом водорода при температурах, меньших 400 К, характерных для поверхности Луны, происходит очень медленно. В результате за время порядка нескольких тысяч лет на поверхности Луны могут достигаться достаточно большие поверхностные концентрации водоро-досодержащих веществ (вплоть до величин порядка 1017 см-2) ^агакЫпа, 2001). Чувствительность участков поверхности Луны, обогащенных водородом, к фотоэмиссии оказывается значительно более высокой, чем окружающих участков (Колесников, Мануйлов, 1982), что сказывается, в конечном итоге, и на процессе зарядки пылевых частиц и их динамике.
На станциях Луна-Глоб и Луна-Ресурс детектирование пылевых частиц, а также оптические наблюдения пыли будут выполняться на высотах, не превышающих нескольких метров (Голубь идр., 2012). Измерения предполагается проводить в дневное время, что позволит обеспечить энергопитание приборов на лунных станциях за счет солнечной энергии. Предполагается осуществлять прилунение станций Луна-Глоб и Луна-Ресурс в области высоких лунных широт, превышающих 70°. Таким образом, исследование плаз-менно-пылевой системы в приповерхностном слое освещенной части лунной поверхности в области достаточно высоких лунных широт представляет существенный интерес, в том числе и с технологической точки зрения, для устанавливаемой на лунных станциях аппаратуры, выбора места посадки и т.д.
В настоящей работе изучается плазменно-пы-левая система в приповерхностном слое освещен-
ной части Луны, в том числе и в области высоких лунных широт. Исследуются ситуации, когда пылевая плазма образуется над участками лунного реголита, а также над участками лунной поверхности, обогащенными водородом. Вычисляются концентрации пыли и фотоэлектронов над поверхностью Луны. Особое внимание уделяется формированию фотоэлектронов от пылевых частиц, парящих над поверхностью Луны, и их влиянию на концентрации пыли.
МОДЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Наклон оси Луны относительно плоскости эклиптики составляет всего 1.5424°, что определяет достаточно небольшое отличие лунной широты от угла 0 между местной нормалью и направлением на Солнце. Таким образом, вычисления проводятся в терминах угла 9. В вычислениях используются два значения работы выхода фотоэмиссии Ж = ЖН ~ 4 эВ и Ж = ~ 6 эВ. Первое из значений Жтрактуется как работа выхода фотоэмиссии участков лунной поверхности, обогащенных водородом (Колесников, Мануйлов, 1982), а второе условно используется ниже как работа выхода фотоимиссии участков лунного реголита.
Для описания плазменно-пылевой системы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.