Учёные ИКИ РАН показали, как могут выглядеть пылевые фонтаны на Луне

Учёные проводили эксперименты в вакуумной камере с аналогом лунного грунта. Для моделирования условий на поверхности Луны образцы размещали на проводящей подложке, а для компенсации земной гравитации использовали вертикальное электростатическое поле напряженностью 1700 В/см.

В первом случае «грунт» бомбардировали заряженными микрочастицами железа размером порядка 10 мкм, ускоренными до 10 м/с, — это имитировало удары микрометеоритов. Во втором — облучали потоком электронов с энергией 160 эВ, воспроизводя воздействие солнечного ветра. В третьем — применяли ультрафиолетовое излучение с длиной волны 172 нм.

Все процессы снимали на высокоскоростные камеры с частотой от 300 до 1000 кадров в секунду, а для подсветки использовали твердотельный лазер. Таким образом, в каждом эксперименте моделировалось действие одного из факторов, способных поднять пыль над поверхностью Луны.

Что такое лунная пыль, и почему она ведет себя странно

Лунная пыль — это мельчайшие осколки пород и минералов, которые образовались за миллиарды лет бомбардировки поверхности Луны метеоритами.

Во время экспедиций по программе «Аполлон» (NASA) астронавты заметили необычное явление — пылевые фонтаны. Кроме того, автоматические приборы фиксировали на фотоплёнку зарево на горизонте перед восходом Солнца, которое можно объяснить рассеянием света на пылевых частицах.

Одна из причин, по которой лунная пыль поднимается вверх, — она накапливает заряд из-за ультрафиолетового излучения Солнца. Оно выбивает электроны из частиц грунта, в результате поверхность и пылинки приобретают электрический заряд (явление фотоэффекта). Кроме того, заряды приносят электроны и ионы солнечного ветра, хотя этот эффект несколько слабее, чем от ультрафиолета.

Освещённые и затенённые участки, а также разные типы грунта получают разный потенциал. Освещённые — положительный под действием солнечного ультрафиолета. При этом положительно заряженные частицы начнут левитировать, если сила кулоновского окажется достаточно большой. На затенённых участках важную роль играют и электроны. В тени электронный ток в 40 раз больше ионного, так как скорость электронов больше, и поверхность начинает приобретать отрицательный потенциал.

Дополнительный «толчок» могут придавать микрометеориты. Даже крошечные частицы на огромной скорости врезаются в поверхность и выбивают облака пыли.

Так левитирующая пыль становится частью приповерхностной экзосферы Луны. Этот тонкий слой заряженных частиц постоянно меняется под действием солнечного света и потоков солнечного ветра.

Для будущих миссий на Луну такая пыль представляет серьёзную угрозу. Она оседает на солнечных батареях, забивает механизмы и мешает работе приборов.

Ещё одна проблема — форма этих частиц. На Земле пылинки постепенно сглаживаются под действием воды и ветра. На Луне этих процессов нет, поэтому многие из них сохранили острые, неровные края. Это быстро почувствовали астронавты программы «Аполлон». После выхода на поверхность пыль попадала в механизмы и изнашивала материалы. Она проникала внутрь лунного модуля, из-за чего астронавты сталкивались с раздражением глаз, носа и горла.

Прибор, который услышит удары пылинок

Чтобы изучить, как движется лунная пыль и что заставляет её подниматься над поверхностью, в отделе физики планет ИКИ РАН создали прибор ПмЛ — «Пылевой мониторинг Луны».

Такой прибор работал на российском космическом аппарате «Луна-25», которая нештатно закончила полёт. Сейчас его аналог поставлен на КА «Чанъэ-7» (Chang’E 7, CNSA). Стартовое окно продлится с 23 по 24 августа 2026 г.

У прибора ПмЛ-Ч7 три типа датчиков: пьезокерамические пластины, измеряющие механический импульс частиц; индукционные датчики, которые измеряют заряд пылинок, и зонд Ленгмюра, который получает вольт-амперную характеристику окружающей плазмы.

Когда пылинка врезается в блок пьезокерамических сенсоров, возникает сигнал, пропорциональный механическому импульсу частицы, а он, в свою очередь, зависит от скорости и массы частицы. При определённых условиях скорость и массу пылинки можно получить и благодаря индукционному датчику. Параллельно зонд Ленгмюра измеряет параметры окружающей плазмы.

Так учёные одновременно смогут измерять концентрацию пыли над поверхностью Луны, скорость и размеры частиц, а также изучать плотность и температуру электронов и ионов в окружающей плазме.

Южный полюс: здесь лунная пыль особенно интересна

После «Чанъэ-7» эксперимент продолжится. В ИКИ РАН уже готовят следующие приборы — для российских миссий «Луна-27.1» и «Луна-27.2».

Данные с разных участков Луны позволят сравнить поведение пыли в районах с разной освещённостью и температурой. Это поможет уточнить существующие представления о движении лунной пыли.