Лунный грунт

Лунный грунт является мелкой фракцией из реголита , найденного на поверхность на Луне . Его свойства могут существенно отличаться от земной грязи. Физические свойства лунного грунта в первую очередь являются результатом механического разрушения базальтовых и анортозитовых пород, вызванного непрерывными ударами метеоров и бомбардировкой солнечными и межзвездными заряженными атомными частицами в течение многих лет. Процесс в значительной степени связан с механическим выветриванием.в котором частицы измельчаются до все более мелкого размера с течением времени. Эта ситуация принципиально контрастирует с образованием земной грязи, опосредованным присутствием молекулярного кислорода (O 2 ), влажности, атмосферного ветра и множества способствующих биологических процессов.

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

Лунный грунт обычно относится только к более мелкой фракции лунного реголита , который состоит из зерен диаметром 1 см или меньше, но часто используется взаимозаменяемо. [1] Лунная пыль обычно означает даже более тонкие материалы, чем лунная почва . Официального определения фракции, составляющей «пыль», не существует; одни устанавливают обрезку менее 50 мкм в диаметре, а другие - менее 10 мкм. [ необходима цитата ]

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

Основные процессы, вовлеченные в формирование лунного грунта: [ необходима цитата ]

Эти процессы со временем продолжают изменять физические и оптические свойства грязи, и это известно как космическое выветривание .

Кроме того, фонтан огня, при котором вулканическая лава поднимается и охлаждается, превращаясь в маленькие стеклянные бусинки, прежде чем упасть обратно на поверхность, может создавать небольшие, но важные отложения в некоторых местах, таких как оранжевая грязь, обнаруженная в кратере Шорти в долине Таурус-Литтроу . Apollo 17 , и зеленое стекло найдены в Hadley-Апеннинского от Apollo 15 . [ необходима цитата ] Отложения вулканических бусинок также считаются источником отложений Темной мантии (DMD) в других местах вокруг Луны. [2]

Лунный грунт состоит из различных типов частиц, включая обломки горных пород, мономинеральные фрагменты и различные виды стекол, включая частицы агглютината, вулканические и ударные сферулы. [ необходима цитата ] Агглютинаты образуются на поверхности Луны в результате ударов микрометеоритов, которые вызывают мелкомасштабное плавление, которое сплавляет соседние материалы вместе с крошечными частичками элементарного железа, встроенными в стеклянную оболочку каждой частицы пыли. [ необходима цитата ] Со временем материал смешивается как по вертикали, так и по горизонтали (процесс, известный как «садоводство») за счет ударных процессов. Вклад материала из внешних источников относительно невелик, так что состав грязи в любом данном месте в значительной степени отражает состав местной коренной породы.

Есть два существенных отличия в химическом составе лунного реголита и грязи от земных материалов. Во-первых, Луна очень сухая. В результате те минералы, в состав которых входит вода ( гидратация минералов ), такие как глина , слюда и амфиболы , полностью отсутствуют на Луне. [ необходима цитата ] Второе отличие состоит в том, что лунный реголит и кора химически восстановлены , а не значительно окислены, как земная кора. [ Необходимая цитата ] В случае реголита это отчасти связано с постоянной бомбардировкой лунной поверхности протонами солнечного ветра. Одним из следствий этого является то , что железо на Луне находится в элементарном (0) и катионных состояний (+2) окисления, [ править ] , тогда как на Земле железо находится в основном в степенях окисления +2 и +3.

  • Относительная концентрация различных элементов на лунной поверхности

  • Относительная концентрация (в% по массе) различных элементов на лунных возвышенностях, лунных низинах и на Земле.

  • Бета-ткань, загрязненная лунным грунтом (Аполлон-16)

"> File:Ap16 rover.ogvВоспроизвести медиа
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 [3], сетей наземного транспорта и систем удаления отходов, и это лишь 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 несметного числа ударов метеоритов (со скоростью порядка 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 . [4] Грязь становится очень плотной под верхним слоем реголита.

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.

Есть некоторые свидетельства того, что на Луне есть тонкий слой движущихся частиц пыли, которые постоянно подпрыгивают и падают 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 , [5] , это вызвано электростатическим левитации . На дневной стороне Луны солнечное жесткое 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 к поверхности, где процесс повторяется. С ночной стороны пыль заряжается отрицательно электронами солнечного ветра . Действительно, модель фонтана предполагает, что на ночной стороне будет большая разница в электрическом напряжении, чем на дневной стороне, и, возможно, частицы пыли будут подниматься на еще большие высоты. [6] Этот эффект может быть усилен на той части орбиты Луны, где она проходит через хвост магнитосферы Земли , часть магнитного поля Луны . [7] На терминаторе могут образовываться значительные горизонтальные электрические поля между дневной и ночной областями, что приводит к горизонтальному переносу пыли - форме «Лунной бури». [6] [8]

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 . [6]

Кусочек реголита от Apollo 11 представлен в Советском Союзе и экспонируется в Мемориальном музее космонавтики в Москве

Есть некоторые свидетельства этого эффекта. В начале 1960-х Surveyor 7 [9] и несколько предыдущих космических кораблей Surveyor , совершивших мягкую посадку на Луну, вернули фотографии, показывающие безошибочное сумеречное свечение над лунным горизонтом, сохраняющееся после захода Солнца. [6] Более того, вопреки ожиданиям безвоздушных условий без атмосферной дымки, далекий горизонт между землей и небом не выглядел острым. 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. [6]

Аполлон-17 также разместил эксперимент на поверхности Луны под названием LEAM , сокращенно от Lunar Ejecta и Meteorites. Он был разработан для поиска пыли, поднимаемой небольшими метеороидами, ударяющими по поверхности 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, температура в эксперименте повышалась почти до 100 градусов Цельсия через несколько часов после каждого восхода Луны, поэтому устройство пришлось временно выключить 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. [8] Однако ученые не смогли точно определить источник проблемы, так как LEAM проработал недолго до завершения программы Apollo. [10]

Возможно, что 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 за секунды или минуты. Это могло быть результатом отражения солнечного света от взвешенной лунной пыли. [8]

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, твердость и влияние на электрические системы. Большинство ученых думают, что единственный способ окончательно ответить на вопросы - это вернуть на Землю образцы марсианской грязи и горных пород задолго до запуска каких-либо астронавтов. [10]

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: [11] [12] [13]

  • Потемнение поверхностей, приводящее к значительному увеличению лучистой теплоотдачи ;
  • Абразивный характер частиц пыли может истирать и истирать поверхности за счет трения;
  • Отрицательное влияние 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 частиц пыли в 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, «вакуумирование» скафандра с помощью магнита [14] перед удалением и использование местной вытяжной вентиляции с высокоэффективным фильтром твердых частиц для удаления пыли из атмосферы космического корабля. [15]

Вредные свойства лунной пыли малоизвестны. Основываясь на исследованиях пыли, обнаруженной на Земле, ожидается, что воздействие лунной пыли приведет к большему риску для здоровья как от острого, так и от хронического воздействия. Это связано с тем, что лунная пыль более химически активна и имеет большую площадь поверхности, состоящую из более острых зазубренных краев, чем земная пыль. [16] Если химически активные частицы оседают 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 уменьшения 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. [17] [18] [19]

Астронавты "Аполлона" вернули около 360 кг лунных камней с шести посадочных площадок. Хотя этот материал был изолирован в бутылках с вакуумной упаковкой, в настоящее время 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 налет ржавчины, и в результате соединения с земными молекулами воды и кислорода ее химическая активность давно исчезла. Химические и электростатические свойства грязи больше не соответствуют тому, что будущие астронавты встретят на Луне. [10]

Загрязненные лунной пылью предметы наконец стали доступны общественности в 2014 году, когда правительство США одобрило [20] 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. Ремень 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. [21] В 2017 году лунный грунт, собранный Нилом Армстронгом в 1969 году, был выставлен на аукцион. [22] Хотя многие производители ювелирных изделий и часов заявляют, что их продукция содержит «лунную пыль», они 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 его покупке у коммерческих поставщиков. [23]

Проект Чанъэ-5

16 декабря 2020 года китайская миссия Chang'e 5 вернулась на Землю с грузом около 2 килограммов камней и грязи, который она подняла с Луны. Это первый образец лунного реголита, вернувшийся на Землю с 1976 года. Китай - третья страна в мире, которая вернула такой материал на Землю. [24]

Chang'e-5 является частью первой 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.

  • Имитатор лунного реголита
  • Лунные ресурсы
  • Лунная скала
  • Натриевый хвост Луны

  1. ^ Хайкен; Ванниман и французский (1991). Лунный справочник . Издательство Кембриджского университета . С.  756 . ISBN 978-0-521-33444-0.
  2. ^ «Взрывные извержения вулканов на Луне» .
  3. ^ Наей, Роберт (6 апреля 2008 г.). "Пионерский метод ученых НАСА для создания гигантских лунных телескопов" . Центр космических полетов Годдарда . Проверено 27 февраля 2011 года .
  4. ^ Лунный реголит @NASA
  5. ^ Стаббс, Тимоти Дж .; Ричард Р. Вондрак и Уильям М. Фаррелл (2005). «Модель динамического фонтана для лунной пыли» (PDF) . Луна и планетология XXXVI .
  6. ^ a b c d e Лунные фонтаны. Архивировано 19 марта 2010 г. в Wayback Machine.
  7. ^ НАСА - Луна и Магнитохвост
  8. ^ а б в «НАСА - Лунные бури» . Архивировано из оригинала 6 января 2010 года . Проверено 12 июля 2017 года .
  9. ↑ Странные вещи случаются в полнолуние | LiveScience
  10. ^ a b c Труди Э. Белл, Stronger Than Dirt , Air & Space Smithsonian , август / сентябрь 2006 г., стр. 46–53.
  11. ^ Брэндон Спектор 17 мая 2018 г. «Лунная пыль супертоксична для человеческих клеток» . livescience.com . Проверено 4 января 2021 года .
  12. ^ «Не дышите лунной пылью | Управление научной миссии» . science.nasa.gov . Проверено 4 января 2021 года .
  13. ^ Джеймс, Джон; Кан-Мэйберри, Норин (январь 2009 г.). «Риск неблагоприятных последствий для здоровья от воздействия лунной пыли» (PDF) .
  14. ^ Профессор Ларри Тейлор, директор Института планетарных наук о Земле в Университете Теннесси
  15. ^ Д-р Дж. Р. Кейн - «Применение космонавтической гигиены для защиты здоровья космонавтов», Конференция Британской ассоциации космической биомедицины, 2009 г., Даунинг-колледж, Кембриджский университет
  16. ^ Д-р Джон Р. Кейн, "Лунная пыль - опасность для исследователей Луны", Spaceflight, Vol. 52, февраль 2010 г., стр. 60–65.
  17. ^ Д-р Джон Р. Кейн, «Лунная пыль: опасность и риски воздействия космонавтов», Земля, Луна, планеты doi : 10.1007 / s11038-010-9365-0 октябрь 2010 г.
  18. ^ Park, JS; Ю. Лю; К.Д. Кихм; Л.А. Тейлор. «Микроморфология и токсикологические эффекты лунной пыли» (PDF) . Наука о Луне и планетах XXXVII (2006 г.) . Проверено 8 марта 2007 года . Гранулометрический состав лунной пыли из образца 77051 Аполлона 17 был определен с использованием анализа изображений SEM. Данные распределения по размерам показывают приблизительное распределение по Гауссу с одной модой на длине волны около 300 нм. Площадь реактивационной поверхности высокопористых частиц «швейцарского сыра» примерно на 26% больше, чем у сферы. Морфология пылинок классифицирована по четырем типам: 1) сферическая; 2) угловые блоки; 3) осколки стекла; и 4) нерегулярные (тесьма или швейцарский сыр). Эти данные помогут исследователям-медикам в их исследованиях токсикологических эффектов вдыхания лунной пыли человеком.
  19. ^ Янг, Келли (6 марта 2007 г.). «Валики для ворса могут собирать опасную лунную пыль» . Новый ученый . Проверено 17 февраля 2008 года . Несмотря на то, что лунная пыль считается потенциальным источником кислорода и металлов, она вызывает беспокойство, потому что врачи опасаются, что мельчайшие зерна могут оседать в легких астронавтов, что может вызвать долгосрочные последствия для здоровья.
  20. ↑ Новый закон гласит, что астронавты могут хранить (или продавать) свои космические артефакты.
  21. ^ Аполлон - 12 космонавта сувениры вверх на аукцион 23 апреля 2014
  22. ^ «Лунная пыль, собранная астронавтом Нилом Армстронгом, будет продана на аукционе» . Новости ITV . Проверено 13 июля 2017 года .
  23. ^ НАСА купит лунные камни и грязь у частных компаний 11 сентября 2020 г.
  24. ^ «Китайская миссия Chang'e-5 возвращает образцы Луны» . BBC News . 16 декабря 2020 . Проверено 25 января 2021 года .

  • Геотехнические свойства лунного грунта
  • Параметры лунных почв Лунно-планетный институт
  • Обнаружено спустя 40 лет: опасность лунной пыли под влиянием возвышения Солнца