Содержание
Атмосфера Земли оказалась больше, чем считалось. Она выходит за пределы орбиты Луны
Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев: тропосферы (верхняя граница 20 км), стратосферы (граница 50 км), мезосферы (граница 85 км), термосферы (граница 690 км) и экзосферы (граница 10 000 км). Уже продолжительное время в качестве условной границы между атмосферой Земли и космосом принимается так называемая линия Кармана, располагающаяся на высоте 100 километров. Однако в ходе нового исследования, результаты которого были опубликованы в Journal of Geophysical Research: Space Physics, было установлено, что атмосфера нашей планеты гораздо сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Ученые выяснили, что ее границы выходят далеко за пределы Луны.
Атмосфера Земли оказалась куда более сложной, чем нам казалось.
Содержание
- 1 Где самый верхний слой атмосферы Земли
- 2 Когда открыли границы атмосферы
- 3 В чем преимущество SWAN
- 4 Может ли геокорона помешать наблюдениям за космосом
Где самый верхний слой атмосферы Земли
Пространство, охватывающее в том числе и Луну и являющееся внешней частью самого верхнего слоя атмосферы Земли, экзосферы, исследователи называют геокороной.
Оно представляет собой облако из атомов водорода, которое начинает светиться под воздействием ультрафиолетового излучения. Поскольку это облако очень разряжено, измерить его реальные границы оказалось непростой задачей. Так, согласно результатам предыдущих исследований, верхняя граница этого пространства была определена расстоянием около 200 000 километров от Земли, точкой, за которой давление солнечного ветра уже перекрывает силу гравитацию Земли.
Международная научная группа под руководством Игоря Балюкина из Института космических исследований РАН используя данные, собранные космическим аппаратом SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), являющегося совместным проектом Европейского космического агентства и американского аэрокосмического агентства NASA смогла выяснить, что ранее установленная граница геокороны даже близко не соответствует реальному положению дел. Исследователи установили, что протяженность геокороны на самом деле составляет как минимум 630 000 километров.
Другими словами, это означает, что границы нашей атмосферы находятся далеко за пределами Луны, которая в свою очередь удалена от нашей планеты всего на 384 000 километров.
«Луна находится внутри земной атмосферы. Об этом не было известно до тех пор, пока не был проведен анализ данных, собранных космической обсерваторией SOHO», — комментирует ведущий автор исследования Игорь Балюкин из Института космических исследований РАН.
Синим цветом отмечена граница геокороны Земли (не в масштабе)
Когда открыли границы атмосферы
Еще более интересным это открытие делает тот факт, что сделано оно было на основе данных наблюдений, проводившихся с 1996-го по 1998-й годы, то есть более 20 лет назад. Все это время они лежали в архиве, ожидая анализа.
Данные были получены с помощью очень чувствительного инструмента SWAN космического аппарата, предназначенного для измерения дальнего ультрафиолетового излучения атомов водорода, которые называют фотонами линии Лайман-альфа.
Увидеть их с Земли невозможно – они поглощаются внутренними слоями атмосферы, поэтому наблюдения необходимо проводить непосредственно в космосе. Например, астронавты миссии «Аполлон-16» смогли сфотографировать геокорону в 1972 году.
«В то время находившиеся на лунной поверхности астронавты даже и не подозревали, что на самом деле находятся внутри геокороны», — говорит соавтор нового исследования и бывший сотрудник программы исследования солнечного ветра в рамках миссии SOHO Жан-Лу Берто из Университета Версаль-Сен-Кантен-ан-Ивелин (Франция).
Фотография геокороны Земли, сделанная с Луны астронавтами миссии «Аполлон-16»
В чем преимущество SWAN
Преимущество инструмента SWAN заключается в том, что он способен выборочно проводить измерение излучения геокороны, отфильтровывая излучение Лайман-альфа идущее из дальнего космоса. Именно это и позволило ученым создать более точную карту этой части земной атмосферы.
Новое исследование не только помогло понять истинный размер геокороны, но также показало, что давление солнечного света увеличивает плотность атомов водорода на дневной стороне Земли и создает область повышенной плотности на ночной стороне. Тем не менее даже на дневной стороне эта плотность довольно низкая – на высоте около 60 000 километров над поверхностью планеты она составляет около 70 атомов водорода на кубический сантиметр. С ночной стороны она еще ниже и продолжает снижаться вплоть до 0,2 атома на кубический сантиметр с приближением к окололунной орбите.
«Обычно мы называем это вакуумом. Поэтому наличие такого источника дополнительного излучающего ультрафиолет водорода в этом случае никак сможет облегчить освоение космического пространства», — комментирует Балюкин.
Хорошая новость в том, поясняют авторы исследования, что эти частицы не будут создавать никакой дополнительной угрозы астронавтам в рамках будущих пилотируемых миссии к Луне.
«В геокороне также присутствует ультрафиолетовое излучение, поскольку атомы водорода излучают свет во всех направлениях, однако его воздействие на астронавтов, находящихся на лунной орбите будет незначительным в сравнении с основным источником излучения – Солнцем», — поясняет Жан-Лу Берто.
Может ли геокорона помешать наблюдениям за космосом
Плохая же новость заключается в том, что геокорона может мешать будущим астрономическим наблюдениям, которые будут проводиться рядом с Луной.
«При использовании космических телескопов, работающих ультрафиолетовом диапазоне волн для изучения химического состава звезд и галактик, придется принять во внимание фактор наличия геокороны Земли», — добавляет Берто.
Последним можно отметить один интересный факт. Если данные исследования верны, то с технической точки зрения даже в условиях космических запусков человек никогда не покидал атмосферы Земли.
Обсудить открытие ученые можно в нашем Telegram-чате.
Атмосфера ЗемлиАэрокосмическое агентство NASAНаучные открытияПланета Земля
Для отправки комментария вы должны или
Астрономы изучили состав атмосферы Земли по ее «отражению» на поверхности Луны — Наука
ТАСС, 2 марта. Планетологи из Германии впервые детально изучили химический состав атмосферы Земли, сфотографировав ее отражение на поверхности Луны во время лунного затмения. Свою методику и перспективы ее применения астрономы описали в статье, которую принял к публикации научный журнал Astronomy & Astrophysics. Ее текст опубликован в электронной библиотеке научных публикаций arXiv.org
«Наблюдения за отражением Земли на поверхности Луны дали нам уникальную возможность измерить состав и свойства всей атмосферы планеты в целом. Лучше всего подобные замеры проводить в ходе лунных затмений, так как в это время них Луну освещает только свет, который полностью проходит через воздушные оболочки Земли, а не отражается от облаков или объектов на ее поверхности», – пишут планетологи.
За последние годы ученые обнаружили несколько экзопланет, которые претендуют на звание «двойника» Земли. Все они невелики, очень плотны и находятся в так называемой «зоне обитаемости» – области вокруг звезды, на поверхности планет в которой вода может находиться в жидком виде. Часть из них, в том числе Проксима Центавра b или три планеты у звезды TRAPPIST-1, находятся по космическим меркам очень недалеко от Солнечной системы.
Несмотря на это, химический состав их атмосферы остается загадкой для ученых. Современные телескопы не могут получить детальные снимки даже самых близких к нам экзопланет. Поэтому астрономам приходится оценивать количество воды и прочих важнейших «кирпичиков жизни» на других планетах косвенным путем, наблюдая за тем, как свет звезд «прошивает» их атмосферу.
Пока такие замеры были получены только для относительно больших и близких к звездам планет, большая часть которых относится к категории так называемых «горячих юпитеров». Пока таким образом ученые изучили только одну относительно небольшую «суперземлю», планету 55 Cnc b в созвездии Рака.
Ее атмосфера оказалась непригодной для поддержания жизни, так как она состоит из водорода, гелия и ядовитой синильной кислоты.
Группа астрономов под руководством Клауса Штрассмайера, профессора Потсдамского астрофизического института (Германия), провела подобные замеры для Земли с помощью довольного необычного инструмента – поверхность 85-километрового кратера Тихо в южном полушарии видимой стороны Луны.
Ученые воспользовались тем, что Луну во время полных лунных затмений освещает тусклое «землесвечение». Так астрономы называют свет и другие формы излучения Солнца, которые проходят через атмосферу Земли и отражаются от поверхности Луны. Часть этого свечения возвращается на нашу планету, где его могут уловить самые чувствительные телескопы.
В прошлом, как отмечают Штрасмайер и его коллеги, астрономы уже неоднократно пытались использовать «землесвечение» для того, чтобы зафиксировать характерные следы существования жизни на Земле в спектре ее атмосферы. Успехом подобные замеры завершились лишь отчасти: планетологи не смогли получить максимально детальные данные, так как они проводились не во время затмений, а просто тогда, когда на Луну «смотрели» океаны или лесные массивы.
Немецкие планетологи исправили этот недочет в начале января прошлого года, наблюдая за кратером Тихо при помощи 12-метрового телескопа LBT, который установлен на вершине горы Маунт-Грэхэм на юго-западе США. Благодаря сверхвысокой чувствительности он смог напрямую уловить следы «землесвечения», отраженного от поверхности Луны в тот момент, когда ее поверхность накрыла тень Земли.
Эти замеры помогли ученым обнаружить не только кислород и воду в спектре атмосферы Земли, как это удавалось сделать в ходе прошлых наблюдений за «землесвечением», но и найти следы ионов натрия, калия, кальция и ряда других относительно редких элементов, часть из которых, такие как барий, астрономы не ожидали увидеть в верхних слоях атмосферы.
Как надеются исследователи, полученные ими данные помогут астрономам изучать спектры атмосфер и искать следы жизни на поверхности «двойников» Земли после того, как будут построены или запущены в космос телескопы, которые смогут получать подобные данные. Как ожидают исследователи, впервые это сможет сделать орбитальная обсерватории James Webb.
При самом оптимистичном сценарии ее планируют запустить в следующем году.
Луна и ее атмосфера: чего вы могли не знать
Многие люди убеждены, что на Луне нет атмосферы. Они считают, что он напрямую подвергается воздействию космического вакуума. Но это неправильно. На самом деле — это атмосфера на Луне. Он гораздо менее плотный, чем земной, и дышать там будет небезопасно. Однако он существует и был измерен с помощью инструментов, доставленных на Луну астронавтами Аполлона, и с помощью разведывательных спутников, выведенных НАСА на лунную орбиту в последующие годы.
Атмосфера на Луне меньше бумаги. На Земле, на уровне моря, воздух, которым мы дышим, содержит около 100 миллиардов миллиардов молекул на кубический сантиметр. Это звучит невероятно толсто, но, конечно же, мы не можем видеть воздух на Земле из-за бесконечно малых размеров даже самых больших и сложных газообразных молекул.
Для сравнения, на Луне в кубическом сантиметре атмосферы всего около одного миллиона молекул.
Это исчезающе пусто, если мы сравним его с Землей. Тем не менее атмосфера Луны вполне реальна и типична для тонких атмосфер других тел Солнечной системы.
Газы в атмосфере Луны в основном содержатся и в атмосфере Земли. Они включают небольшие количества азота, гелия, аргона, неона, аммиака, метана и углекислого газа. Эти газы были обнаружены в образцах, взятых в ходе эксперимента по изучению состава лунной атмосферы (LACE), который был включен в последнюю миссию НАСА по высадке астронавтов на Луну («Аполлон-17»).
В атмосфере Луны также были обнаружены натрий и калий. Эти химические вещества не входят в состав атмосферы Земли, Марса или Венеры. Эти вещества были обнаружены наземными исследователями, изучающими Луну с помощью специальных телескопов.
По большей части эти газы образуются в результате взаимодействия Луны и Солнца. Солнечный ветер состоит из заряженных частиц, в том числе электронов и протонов, и бомбардировка лунной поверхности этими электрически взаимодействующими ветрами провоцирует высвобождение различных химических следов.
Солнечного тепла и света достаточно, чтобы стимулировать дальнейшие химические реакции, добавляя еще больше содержимого в атмосферу Луны. Создание атмосферы Луны — непрерывный процесс, как и должно быть, поскольку содержащиеся в ней молекулы в конечном итоге просочатся в космос.
Выделение газа изнутри — еще один вероятный вклад в создание лунной атмосферы. Это происходит как побочный эффект сейсмической активности, результаты которой соответствующим образом помечены как «лунотрясения».
Эти лунотрясения могут быть вызваны различными триггерами — падением крупных метеоритов, обрушением стенок кратеров, резкими изменениями температуры поверхности, приливным (гравитационным) притяжением Земли — и, кажется, происходят довольно регулярно. Сейсмические измерительные приборы, оставленные на планете Аполлоном-17, зафиксировали 12 000 лунотрясений между 1972 и 1977 г., после чего приборы перестали работать.
Тип атмосферы, существующий на Луне, известен как «поверхностная экзосфера», или, проще говоря, как экзосфера.
Этот термин зарезервирован для атмосфер, настолько разреженных и лишенных плотности, что их молекулы никогда не соприкасаются.
Если бы все атмосферные газы на Луне сконденсировались, их общий вес составил бы всего 25 000 кг. Это необычайно легко для спутника диаметром почти 13 000 километров.
Экзосферы можно найти на Меркурии, на некоторых крупных астероидах и на нескольких спутниках Сатурна и Юпитера. Тела, которые достаточно плотны и достаточно велики, чтобы преодолеть определенный гравитационный порог, способны слабо удерживать тонкие атмосферы, если, во-первых, существуют источники атмосферных газов, доступных для создания этих атмосфер.
Помимо содержащихся в ней газов, атмосфера Луны регулярно загрязняется гигантскими пылевыми облаками, поднимающимися с поверхности. Ультрафиолетовые лучи солнечного света ответственны за поднятие этих пылевых облаков, и они могут подниматься довольно высоко в воздух из-за низкой гравитации Луны. Эта атмосферная пыль отвечает за явление, известное как свечение лунного горизонта, которое можно увидеть из близлежащего космоса, когда Солнце освещает край Луны.
Пыль поднимается в течение дня, а затем оседает обратно на поверхность Луны ночью, ежедневно повторяя одну и ту же картину.
Эта пыль оказалась настоящей проблемой для астронавтов Аполлона. Лунная пыль песчаная, липкая и абразивная. Это вызвало значительный износ материалов, используемых при изготовлении скафандров астронавтов Аполлона. Эта пыль также способна повредить или засорить чувствительное оборудование и может стать настоящей головной болью для будущих поселений на Луне (если они когда-либо будут построены).
Атмосфера — не единственная интересная вещь на Луне. У него также есть значительные залежи льда на его полюсах, которые, по последним оценкам, вероятно, превышают 600 миллионов тонн. Молекулы воды были обнаружены на других широтах в лунной пыли, что свидетельствует о перемещении воды из полярных регионов в более низкие широты за счет активности атмосферной циркуляции.
Эту воду можно растопить и использовать для будущих лунных колоний или научных аванпостов, которые также могут собирать кислород для дыхания.
Удивительно густая атмосфера Титана
Исследования других спутников Солнечной системы выявили условия, сходные с теми, что существуют на нашей Луне. Атмосферы можно найти на нескольких, и большинству серьезно не хватает содержания.
Однако в Солнечной системе есть четыре спутника, которые содержат гораздо более толстые атмосферы, которые классифицируются как настоящие атмосферы, а не как экзосферы.
Три из этих спутников — Каллисто (Юпитер), Тритон (Нептун) и Ио (Юпитер) — имеют атмосферы, намного более плотные, чем наша Луна, но все же гораздо более тонкие, чем на Земле. Но на крупнейшем спутнике Сатурна, Титане, ситуация совершенно иная. Атмосфера Титана на 50 процентов толще земной, что примечательно, учитывая, что эта луна меньше половины Земли по размеру и менее плотная (следовательно, менее мощная гравитация), чем даже наша Луна.
Почти 95 процентов атмосферы Титана состоит из азота, а метан составляет большую часть остатка.
Как Титан получил свою плотную атмосферу, остается предметом спекуляций и исследований, поскольку ни одна другая луна в Солнечной системе не приближается к этой атмосфере по плотности или составу. Возможно, в значительной степени виновата вулканическая активность на Титане, но это потребует дополнительных исследований, прежде чем это можно будет подтвердить.
Метан на Титане особенно интригует. Хотя у него есть несколько возможных источников, метан часто создается как побочный продукт биологических процессов, другими словами, он выделяется живыми существами. Ученые-планетологи не исключают присутствия на Титане форм жизни того или иного типа, и они знают, что там могут образовываться органические химические вещества, основываясь на том, что известно о химическом составе Титана.
Из-за особенностей атмосферы Титан покрыт густым туманным оранжевым облаком. В результате невозможно рассмотреть поверхность Титана крупным планом из космоса, и природа особенностей его поверхности оставалась загадкой до тех пор, пока в 2004 году к Титану не приземлился зонд НАСА «Кассини-Гюйгенс Сатурн».
Зонд показал, что на Титане есть жидкость. углеводородные озера вблизи его полюсов, и общие результаты этой миссии были настолько интригующими, что НАСА планирует отправить еще один посадочный модуль на Титан в 2034 году. Этот посадочный модуль, известный как Dragonfly, сядет на поверхность Титана и проведет ряд тестов, чтобы оценить его способность поддерживать жизнь.
Солнечная система сюрпризов
Открытие атмосфер на спутниках многое говорит нам о том, насколько динамична наша солнечная система. Миры, которые издалека кажутся мертвыми и инертными, на самом деле весьма активны и обладают неожиданными характеристиками, которые восхищают ученых-планетологов и вызывают у них желание узнать больше.
Кто знает, какие еще удивительные открытия ждут нас, когда мы начнем более глубоко и серьезно исследовать нашу солнечную систему?
Натан Фальде
Лунная атмосфера более активна, чем мы думали
Харви Лейферт
Воскресенье, 27 марта 2016 г.
Космический аппарат НАСА «Лунная атмосфера и пылевая среда» (LADEE) вращается вокруг поверхности Луны. Авторы и права: NASA Ames/Dana Berry
LADEE — произносится как «парень» и сокращение от Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer — был одним из самых недолговечных успешных спутников НАСА. Запущенный 7 сентября 2013 года, он рухнул на поверхность Луны, как и предполагалось, 17 апреля 2014 года, после шести месяцев обращения вокруг Луны. Данные, собранные LADEE, уже значительно расширили наше понимание атмосферы Луны и других тел Солнечной системы; космический аппарат также сделал ряд неожиданных открытий, некоторые из которых были представлены на осеннем собрании Американского геофизического союза (AGU) в Сан-Франциско в декабре прошлого года.
LADEE вращался на малой высоте примерно 50 километров, сканируя разреженную атмосферу Луны — точнее, ее «экзосферу, ограниченную поверхностью», — чтобы впервые определить состав и динамику экзосферы. По данным НАСА, плотность экзосферы Луны аналогична плотности атмосферы Земли на высоте, на которой вращается Международная космическая станция.
функционально это вакуум. Но, по словам Ричарда Элфика, научного сотрудника проекта LADEE в Исследовательском центре Эймса НАСА в Моффетте, он, вероятно, похож на те, что находятся на других безвоздушных телах Солнечной системы, включая Меркурий, Европу, Ио, обе марсианские луны, крупные астероиды и объекты пояса Койпера, такие как Плутон. Поле в Калифорнии. Таким образом, понимание экзосферы Луны поможет исследователям понять экзосферы других тел Солнечной системы. Эльфик и его коллеги представили результаты миссии на пресс-конференции на заседании AGU.
Что касается Луны, LADEE определила, что тремя наиболее распространенными элементами в ее экзосфере являются (в порядке убывания) гелий, неон и аргон. По словам Эльфика, эти благородные газы просачиваются на поверхность из недр Луны. Из крошечной части экзосферы, не учитываемой этими тремя, преобладают вода и натрий, а остальную часть составляют дюжина других элементов. По словам Энтони Колапрета из НАСА Эймс, натрий, хотя и встречается в незначительных количествах, идеально подходит для изучения экзосферы из-за ярко-желтой линии, которую он дает при спектроскопическом анализе.
По его словам, это также один из элементов, наиболее легко высвобождаемых падающими частицами и ударами метеоритов.
Ультрафиолетовый-видимый спектрометр (UVS), один из трех приборов на борту LADEE, изучал, что происходит, когда метеороиды размером от песчинок до мелких камней ударяются о поверхность Луны со скоростью до 34 километров в секунду и в основном испаряются. По словам Колапрета, управлявшего прибором UVS, их воздействие на Луну, особенно во время метеорного потока Геминиды в середине декабря 2013 года, повлияло на состав, состояние и плотность экзосферы. По его словам, во время Геминид количество натрия и калия в экзосфере продемонстрировало «впечатляющее увеличение» почти в два раза. По его словам, этот эффект предполагался в прошлом, но не мог быть подтвержден наземными наблюдениями. Наблюдения UVS также показали, что уровень калия на поверхности Луны увеличился во время потока Геминид.
Данные UVS в настоящее время сравниваются с существующими данными исследований лунного реголита — поверхностного слоя пыли, рыхлой гальки и камней — чтобы помочь ученым понять влияние метеорных потоков на поверхность Луны, сказал Колапрет.
(Ранее доступные данные были предоставлены образцами реголита астронавтам Аполлона, а также наблюдениями, сделанными Лунным разведывательным орбитальным аппаратом НАСА.)
Ученых интересуют изменения состава на поверхности и в экзосфере, потому что они могут пролить свет на процессы, вызывающие изменения. Бомбардировка метеороидами — один из таких агентов изменений; космические лучи и другие частицы, летящие сквозь пространство, такие как солнечные фотоны, также играют свою роль. Эти энергетические процессы могут высвобождать натрий и другие атомы из минералов на поверхности и отправлять их через экзосферу. В конце концов, ионы оседают обратно в реголит, или, если энергия, сообщаемая атомам натрия солнечным ветром, достаточна для достижения скорости убегания, ионы выбрасываются в космос в процессе, известном как распыление, согласно Томасу Моргану из Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, заявил, что ученые хотят изучить относительную важность каждого вида воздействия на реголит и предсказать, сколько натрия каждый из них выделяет в экзосферу.
Еще одна вещь, которую ученые узнали из миссии LADEE, заключалась в том, насколько ритмичны изменения в экзосфере Луны: выброс атомов натрия и калия с поверхности, по-видимому, происходит в дневном, месячном и годовом циклах, сообщил член миссии LADEE Менелаос Сарантос из Университета. Мэриленд, округ Балтимор. Данные UVS показали — к удивлению ученых, — сказал он, — что эти атомы неоднократно выбрасываются в экзосферу прилетающими частицами, но никогда не реагируют с другими элементами, как это легко происходит на Земле. Скорее, атомы возвращаются в реголит в виде свободных металлов, ожидая следующего толчка от другой приближающейся частицы. Исследователи заявили, что эти и другие явления, которые еще предстоит проанализировать, такие как роль водяного пара в экзосфере, помогут астрономам, изучающим другие тела Солнечной системы с экзосферами.
За короткое время своего существования LADEE предоставил больше данных об экзосфере и реголите Луны, чем ученые смогли проанализировать до сих пор, поэтому работа продолжается, сказал Эльфик.