Исследователи ВШЭ разработали математическую модель, которая объясняет левитацию заряженных пылевых частиц над освещенной Солнцем поверхностью Луны практически для любых широт. В модели впервые учитывается влияние хвоста магнитосферы Земли — особого пространства вокруг нашей планеты. Полученные данные важны для планирования космических экспедиций «Луна-25» и «Луна-27».
Луна / ©Getty images
Исследование опубликовано в журнале Physics of Plasmas. Луну в космическом пространстве окружает плазма (ионизированный газ), которая содержит пылевые частицы твердой материи. На поверхности спутника Земли частицы пыли под воздействием фотонов, электронов и ионов солнечного ветра приобретают положительный заряд. Их взаимодействие с положительно заряженной поверхностью Луны приводит к тому, что они начинают отталкиваться, двигаться и образуют пылевую плазму.
Эти факторы позволяют предположить, что пылевая плазма на Луне должна образовываться лишь над некоторой частью поверхности Луны (в районе широт, больших, чем 76°). Однако ожидается, что пылевая плазма может наблюдаться над всей освещенной поверхностью планеты. Авторы статьи разработали физико-математическую модель движения пылевой плазмы, в которой важная роль принадлежит влиянию хвоста магнитосферы Земли.
Магнитосфера нашей планеты образуется в результате взаимодействия ее магнитного поля с заряженными частицами из космоса. Под действием магнитного поля частицы, например, солнечного ветра отклоняются от своей первоначальной траектории и образуют область вокруг планеты. Она имеет несимметричную форму: с дневной стороны достигает размеров 8–14 земных радиусов, а с ночной — вытянута и образует магнитный хвост Земли длиной в несколько сотен земных радиусов.
Около четверти своей орбиты Луна находится в хвосте магнитосферы Земли, что влияет на движение частиц вдоль меридиана: под воздействием силы магнитного поля они начинают двигаться из полярной области к экватору.
Также на частицы оказывают воздействие гравитационная и электростатическая силы. Одна притягивает пылинку к поверхности, а другая, наоборот, отталкивает. Это приводит к колебаниям частиц вверх-вниз. Затем частицы переходят в состояние левитации. Ученые связывают возникновение данного эффекта с большой продолжительностью светового дня на Луне: почти 15 земных суток.
За это время процесс колебания частиц затухает и они успевают перейти в левитирующее состояние. Как пишут ученые, наблюдаются и противоположные явления. Так, на марсианских спутниках Фобос и Деймос время затухания колебаний пылинок больше продолжительности светового дня, поэтому они не успевают перейти в состояние левитации.
«Сейчас планируются миссии “Луна-25” и “Луна-27”, они будут изучать свойства пыли и пылевой плазмы у поверхности Луны. Для их успеха необходимы предварительные исследования, — объясняет профессор НИУ ВШЭ, заведующий лабораторией плазменно-пылевых процессов в космических объектах ИКИ РАН Сергей Попель.
— Сейчас, используя упрощенный подход, мы объяснили, как происходит перенос пыли над лунной поверхностью с учетом влияния магнитных полей в хвосте магнитосферы Земли. В дальнейших исследованиях необходимо будет дополнительно учесть наклон оси и наклон орбиты к плоскости земной орбиты как для Земли, так и для Луны, а также более точно учесть параметры плазмы хвоста магнитосферы».
