Странный след в лунной почве оказался связан с Землёй — объяснение удивило даже скептиков

Анализ образцов, доставленных миссиями "Аполлон", выявил химические аномалии, которые невозможно объяснить воздействием солнечного ветра. Десятилетиями избыток азота и легких благородных газов в лунном грунте оставался предметом дискуссий. Новое исследование, сочетающее физику плазмы и данные масс-спектрометрии, доказывает: источником этих элементов является атмосфера Земли. Этот механизм переноса ионов не только объясняет состав лунного реголита, но и позволяет уточнить время возникновения магнитного поля нашей планеты.

Фото: Designed by Freepik by rawpixel.com, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

Астронавт ходит по луне

Одной из главных проблем планетологии остается реконструкция условий на ранней Земле. Геологическая активность, тектоника плит и эрозия практически стерли следы первичной атмосферы планеты. Однако данные могут сохраняться за пределами Земли — например, на поверхности ее естественного спутника.

Группа физиков из Университета Рочестера опубликовала в журнале Communications Earth & Environment результаты исследования, подтверждающего гипотезу о том, что Луна миллиарды лет подвергалась бомбардировке ионами земного происхождения. Построенная авторами магнитогидродинамическая модель демонстрирует, как наличие магнитного поля у Земли влияет на перенос атмосферных газов на поверхность Луны.

Механизм переноса: взаимодействие магнитосферы и солнечного ветра

Пространство вокруг Земли не является вакуумом в полной мере, оно заполнено плазмой солнечного ветра — потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Взаимодействуя с магнитным полем Земли, этот поток формирует магнитосферу планеты. С дневной стороны она сжата, а с ночной — вытянута, образуя длинный магнитный хвост (магнитосферный шлейф), простирающийся далеко за орбиту Луны.

Луна, вращаясь вокруг Земли, примерно 5 дней в течение каждого лунного месяца (в фазу полнолуния) находится внутри этого шлейфа. В этот период спутник экранирован от прямого воздействия солнечного ветра, но оказывается в потоке плазмы, истекающей из ионосферы Земли.

Этот поток, называемый "Земным ветром", состоит из ионов водорода, кислорода, азота и благородных газов. Они покидают гравитационное поле планеты и ускоряются вдоль линий магнитного поля. Достигая Луны, ионы с высокой энергией внедряются в кристаллическую решетку минералов на поверхности реголита.

Роль магнитного поля: концентрация вместо рассеивания

Ключевой задачей исследования было определение того, как эффективность этого переноса зависела от состояния магнитного поля Земли в прошлом. Ученые провели сравнительное моделирование двух сценариев:

• намагниченная Земля: планета обладает собственным дипольным магнитным полем (современное состояние);
• ненамагниченная Земля: гипотетическое состояние ранней Земли (Архейский период) без активного геодинамо.

Результаты моделирования опровергли интуитивное предположение о том, что отсутствие магнитного поля должно способствовать большей утечке атмосферы и, следовательно, большему переносу вещества на Луну.

Выяснилось, что при отсутствии магнитного поля солнечный ветер взаимодействует с атмосферой напрямую. Высокое давление солнечной плазмы действительно "сдувает" атмосферные ионы, но этот процесс происходит хаотично: вещество рассеивается в широком телесном угле и уносится мимо Луны.

Напротив, наличие сильного магнитного поля создает структуру, упорядочивающую потоки плазмы. Магнитные линии, уходящие в хвост магнитосферы, действуют как направляющие. Они захватывают убегающие ионы и транспортируют их в область орбиты Луны. Расчеты показали, что эффективность переноса атмосферных ионов на Луну при наличии магнитного поля значительно выше, чем без него.

Изотопные доказательства

Для верификации модели авторы использовали данные об изотопном составе азота и благородных газов (гелия, неона, аргона), полученные из образцов лунного грунта (в частности, ильменита).

Солнечный ветер и земная атмосфера имеют различные изотопные сигнатуры. Например, соотношение изотопов азота-15 и азота-14 в земной атмосфере существенно отличается от солнечного. Анализ показал, что состав лунного реголита представляет собой смесь двух компонентов: солнечного и земного.

При наложении данных моделирования на результаты лабораторных анализов выяснилось, что наблюдаемые концентрации и изотопные пропорции лучше всего согласуются со сценарием, в котором Земля обладала магнитным полем на протяжении большей части времени формирования лунного реголита.

Значение для истории Земли

Результаты исследования имеют два важных следствия для понимания эволюции нашей планеты.

1. Подтверждение раннего запуска геодинамо

Тот факт, что лунный грунт содержит значительное количество земного азота и благородных газов, указывает на то, что механизм магнитного транспорта работал эффективно на протяжении миллиардов лет. Это подтверждает геофизические теории о том, что магнитное поле Земли (геодинамо) сформировалось очень рано — вероятно, уже в гадейском или раннем архейском эоне (более 3,5-4 млрд лет назад). Если бы Земля длительное время оставалась немагнитной, концентрация земных ионов в лунных пробах была бы значительно ниже.

2. Луна как палеоклиматический архив

Поскольку Луна лишена тектонической активности и собственной атмосферы, слои реголита сохраняются в неизменном виде в течение геологических эпох. Ионы внедряются на разную глубину в зависимости от энергии частиц и длительности экспозиции.

Это означает, что стратиграфия лунного грунта (последовательность слоев) содержит хронологическую запись состава земной атмосферы. Глубинные слои реголита, недоступные в поверхностных пробах миссий "Аполлон", могут нести информацию о плотности атмосферы и содержании летучих элементов во времена зарождения жизни на Земле.

Таким образом, будущие лунные миссии, предусматривающие глубокое бурение, позволят получить прямые данные о составе древней атмосферы Земли, которые невозможно обнаружить на самой планете.