Если спросить, есть ли у Луны атмосфера, большинство людей ответят уверенное «нет». На самом деле тонкий слой газов над лунной поверхностью все-таки существует — просто он настолько разрежен, что на Земле мы бы назвали его глубоким вакуумом. Чтобы понять, почему наша планета окружена плотным воздушным одеялом, а Луна — лишь призрачным газовым шлейфом, нужно разобраться в двух вещах: гравитации и магнитном поле.
Формально — да, но с огромными оговорками. То, что окружает Луну, ученые называют экзосферой — настолько тонким слоем атомов и молекул, что они практически никогда не сталкиваются друг с другом. По данным Science ABC, давление у лунной поверхности составляет примерно 3×10⁻¹⁵ атмосфер — это в триллион раз меньше, чем на Земле. Вся масса этой газовой оболочки не дотягивает даже до 10 тонн — примерно как вес одного городского автобуса.
Для сравнения, на уровне моря один кубический сантиметр земного воздуха содержит около 10¹⁹ молекул. У поверхности Луны в том же объеме — меньше миллиона. Это сопоставимо с плотностью земной атмосферы на высоте орбиты МКС, то есть на границе космоса. Лабораторный вакуум, который создают на Земле в научных целях, и тот содержит больше частиц, чем лунная экзосфера.
Хотя газов у Луны крайне мало, их удалось обнаружить и даже определить состав. Экзосфера Луны состоит в основном из аргона, гелия и неона, а также содержит следовые количества натрия, калия, рубидия и нескольких других элементов. Детекторы, оставленные на поверхности астронавтами программы «Аполлон», зафиксировали аргон-40, гелий-4, кислород, метан, азот, углекислый газ и угарный газ. Земные спектрометры добавили к списку натрий и калий, а орбитальный аппарат Lunar Prospector обнаружил радиоактивные изотопы радона и полония.
Любопытная деталь: натрий и калий, которые есть в лунной экзосфере, не встречаются в атмосферах Земли, Марса или Венеры — это делает состав лунной газовой оболочки по-настоящему необычным.
Если газы у Луны постоянно улетают в космос, откуда они берутся? Главный источник — удары микрометеоритов. Крошечные космические пылинки, от молекулярных размеров до нескольких миллиметров, непрерывно бомбардируют поверхность. При столкновении они испаряют часть лунного грунта, выбивая атомы в пространство над поверхностью. Это называется ударным испарением.
Второй процесс — ионное распыление: заряженные частицы солнечного ветра бьют по атомам лунной почвы и «выщелкивают» их наверх. Исследование 2024 года помогло наконец определить, какой из двух механизмов важнее. Ученые проанализировали изотопный состав калия и рубидия в образцах грунта, привезенных миссиями «Аполлон», и пришли к выводу: около 70% атомов в экзосфере появляются благодаря ударам метеоритов, и лишь 30% — за счет солнечного ветра.
Есть и третий, менее заметный источник — дегазация лунных недр. Радиоактивный распад элементов внутри Луны высвобождает газы, которые выходят на поверхность. Например, аргон-40 поступает из недр при распаде калия-40.
Первый — гравитация. Масса Луны составляет всего 1,2% от массы Земли, а сила тяжести на ее поверхности — примерно одну шестую земной. Чтобы молекула газа навсегда покинула небесное тело, ей нужно разогнаться до так называемой второй космической скорости. Для Земли это около 11,2 км/с, для Луны — всего 2,4 км/с. Многие молекулы, разогретые солнечным светом или выбитые солнечным ветром, легко набирают эту скорость и просто улетают в космос. На Земле та же молекула была бы «поймана» гравитацией обратно.
Второй фактор — магнитное поле. Земля обладает мощной магнитосферой: жидкое железное ядро нашей планеты работает как гигантское динамо, генерируя магнитное поле, которое простирается на десятки тысяч километров в космос. Этот невидимый щит отклоняет заряженные частицы солнечного ветра, не давая им «сдувать» атмосферу с планеты. У Луны магнитного поля практически нет — ее поверхность открыта для прямого воздействия солнечной плазмы. Протоны солнечного ветра врезаются прямо в лунный грунт и выбивают атомы наружу, а удержать их обратно нечем.
Показательный пример — Марс. Эта планета потеряла свое магнитное поле миллиарды лет назад, и солнечный ветер постепенно «сдул» бо́льшую часть ее атмосферы. А вот Венера, у которой магнитного поля тоже нет, удерживает мощнейшую атмосферу за счет одной только гравитации — она почти так же массивна, как Земля. Это подтверждает, что именно сочетание массы и магнитного щита определяет судьбу газовой оболочки.
Как ни удивительно, ученые считают, что около 3–4 миллиардов лет назад Луна обладала куда более плотной атмосферой. В 2017 году специалисты NASA объявили, что, по данным изучения образцов лунной магмы, доставленных миссиями «Аполлон», Луна имела относительно густую атмосферу на протяжении примерно 70 миллионов лет. Эта атмосфера, образованная газами из мощных вулканических извержений, была вдвое плотнее нынешней марсианской.
Но лунные вулканы со временем затихли. Новые порции газов перестали поступать в достаточном количестве, а те, что оставались, постепенно рассеялись в космос. Без мощной гравитации и магнитного поля удержать эту оболочку было невозможно.
Отсутствие плотной атмосферы — это не просто научный факт, а практическая проблема для освоения Луны. Без газовой оболочки поверхность не защищена от жесткого космического излучения, губительного для живых организмов. Температура на освещенной стороне поднимается до +127 градусов, а на теневой падает до −173 градусов. Микрометеориты, которые в земной атмосфере сгорают, не долетев до поверхности, на Луне беспрепятственно врезаются в грунт.
Интересно, что сами лунные миссии уже влияют на экзосферу. Выхлоп от одного посадочного модуля может временно увеличить количество газов вокруг места посадки. Ученые уже моделируют, как программа Artemis и другие будущие экспедиции повлияют на лунную атмосферу — ведь если мы хотим изучать ее естественный состав, нужно учитывать следы собственного присутствия.