Космическое выветривание: процессы и влияние на лунную поверхность.

Введение

Тип выветривания

Космическое выветривание – это тип выветривания, которому подвергаются любые объекты, находящиеся в суровых условиях космического пространства. Тела, не имеющие атмосферы (включая Луну, Меркурий, астероиды, кометы и большинство спутников других планет), испытывают множество процессов выветривания: столкновения с галактическими космическими лучами и солнечными космическими лучами, облучение, имплантация и распыление частиц солнечного ветра, а также бомбардировка метеоритами и микрометеоритами различных размеров. Космическое выветривание важно, поскольку эти процессы влияют на физические и оптические свойства поверхности многих планетных тел. Поэтому понимание эффектов космического выветривания критически важно для правильной интерпретации данных дистанционного зондирования.

История

Большая часть наших знаний о процессе космического выветривания получена из исследований лунных образцов, доставленных программой «Аполлон», особенно лунных почв (или реголита). Постоянный поток высокоэнергетических частиц и микрометеоритов, а также более крупных метеоритов, приводит к измельчению, плавлению, распылению и испарению компонентов лунной почвы. Первыми продуктами космического выветривания, обнаруженными в лунных почвах, были «агглютинаты». Они образуются, когда микрометеориты плавят небольшое количество материала, который включает в себя окружающее стекло и минеральные фрагменты, формируя стекловидный сварной агрегат размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Агглютинаты широко распространены в лунных почвах, составляя до 60–70% зрелых почв. Эти сложные и неправильной формы частицы кажутся черными человеческому глазу, главным образом из-за присутствия нанофазного железа. Космическое выветривание также создает поверхностно связанные продукты на отдельных зернах почвы, такие как стеклянные брызги; внедренный водород, гелий и другие газы; треки солнечных вспышек; и аккреционные компоненты, включая нанофазное железо. Лишь в 1990-х годах усовершенствованные приборы, в частности просвечивающие электронные микроскопы, и методы позволили обнаружить очень тонкие (60–200 нм) патины, или ободки, которые формируются на отдельных лунных зернах почвы в результате повторного осаждения пара от близлежащих микрометеоритных ударов и повторного осаждения материала, распыленного с соседних зерен. Эти процессы выветривания оказывают значительное влияние на спектральные свойства лунной почвы, особенно в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном (УФ/Vis/NIR) диапазонах длин волн. Эти спектральные изменения в значительной степени связаны с включениями «нанофазного железа», которое является повсеместным компонентом как агглютинатов, так и почвенных ободков. Эти очень маленькие (от одного до нескольких сотен нанометров в диаметре) включения металлического железа образуются, когда железосодержащие минералы (например, оливин и пироксен) испаряются, железо высвобождается и повторно осаждается в своей самородной форме.

Much of our knowledge of the space weathering process comes from studies of the lunar samples returned by the Apollo program, particularly the lunar soils (or regolith). The constant flux of high energy particles and micrometeorites, along with larger meteorites, act to comminute, melt, sputter and vaporize components of the lunar soil. The first products of space weathering that were recognized in lunar soils were "agglutinates". These are created when micrometeorites melt a small amount of material, which incorporates surrounding glass and mineral fragments into a glass welded aggregate ranging in size from a few micrometers to a few millimeters. Agglutinates are very common in lunar soil, accounting for as much as 60 to 70% of mature soils. These complex and irregularly shaped particles appear black to the human eye, largely due to the presence of nanophase iron. Space weathering also produces surface correlated products on individual soil grains, such as glass splashes; implanted hydrogen, helium and other gases; solar flare tracks; and accreted components, including nanophase iron. It wasn't until the 1990s that improved instruments, in particular transmission electron microscopes, and techniques allowed for the discovery of very thin (60 200 nm) patinas, or rims, which develop on individual lunar soil grains as a result of the redepositing of vapor from nearby micrometeorite impacts and the redeposition of material sputtered from nearby grains. These weathering processes have large effects on the spectral properties of lunar soil, particularly in the ultraviolet, visible, and near infrared (UV/Vis/NIR) wavelengths. These spectral changes have largely been attributed to the inclusions of "nanophase iron" which is a ubiquitous component of both agglutinates and soil rims. These very small (one to a few hundred nanometers in diameter) blebs of metallic iron are created when iron bearing minerals (e. g. olivine and pyroxene) are vaporized and the iron is liberated and redeposited in its native form.

Влияние на спектральные свойства

На Луне спектральные эффекты космического выветривания проявляются троекратно: по мере старения лунной поверхности она темнеет (албедо уменьшается), краснеет (отражательная способность возрастает с увеличением длины волны), и уменьшается глубина характерных полос поглощения. Эти эффекты в основном обусловлены присутствием нанофазного железа как в агглютинатах, так и в нанесенных ободках на отдельных зернах. Эффект потемнения от космического выветривания хорошо заметен при изучении лунных кратеров. Молодые, свежие кратеры имеют яркие лучевые системы, поскольку они обнажают свежий, не подвергшийся выветриванию материал, но со временем эти лучи исчезают, поскольку процесс выветривания затемняет материал.

Космическая выветривание на астероидах

Космическое выветривание, как полагают, происходит и на астероидах, хотя условия там значительно отличаются от лунных. Столкновения в поясе астероидов происходят с меньшей скоростью, поэтому образуется меньше расплава и паров. Кроме того, до пояса астероидов долетает меньше частиц солнечного ветра. Наконец, более высокая частота столкновений и меньшая гравитация малых тел приводят к более активному перемешиванию поверхностного слоя, и возраст поверхности должен быть меньше, чем на Луне. Следовательно, космическое выветривание на астероидах должно происходить медленнее и в меньшей степени. Однако мы наблюдаем признаки космического выветривания на астероидах. Долгое время в планетарном научном сообществе существовала так называемая «загадка»: спектры астероидов в целом не соответствуют спектрам нашей коллекции метеоритов. В частности, спектры астероидов типа S не совпадали со спектрами наиболее распространенного типа метеоритов – обычных хондритов (ОХ). Спектры астероидов, как правило, более красные, с крутым наклоном в видимой области спектра. Однако Binzel и др. обнаружили околоземные астероиды со спектральными характеристиками, варьирующимися от типа S до спектров, близких к спектрам метеоритов ОХ, что указывает на наличие процесса, способного изменять спектры материала ОХ, придавая им характеристики астероидов типа S. Есть также свидетельства изменения реголита, полученные в ходе пролётов аппарата «Галилео» мимо Гаспры и Иды, которые показали спектральные различия в области свежих кратеров. Со временем спектры Иды и Гаспры становятся более красными и теряют спектральный контраст. Рентгеновские измерения Эроса, выполненные аппаратом NEAR Shoemaker, указывают на состав из обычного хондрита, несмотря на красный наклон спектра типа S, что вновь свидетельствует о процессе, изменившем оптические свойства поверхности. Результаты, полученные космическим аппаратом «Хаябуса» на астероиде Итокава, также состоящем из обычного хондрита, демонстрируют спектральные признаки космического выветривания. Более того, окончательные доказательства изменения, вызванного космическим выветриванием, были обнаружены в зернах грунта, доставленных на Землю аппаратом «Хаябуса». Поскольку Итокава очень мал (диаметр 550 м), считалось, что его низкая гравитация не позволит сформироваться зрелому реголиту. Однако предварительное исследование возвращенных образцов выявило наличие нанофазного железа и других эффектов космического выветривания в нескольких зернах. Кроме того, есть данные о том, что на поверхности камней на астероиде формируются и развиваются корки выветривания. Эти покрытия, вероятно, аналогичны коркам, обнаруженным на лунных породах. Существуют свидетельства того, что большая часть изменения цвета, вызванного выветриванием, происходит быстро – в первые сотни тысяч лет, что ограничивает возможности спектральных измерений для определения возраста астероидов.

Space weathering is also thought to occur on asteroids, though the environment is quite different from the Moon. Impacts in the asteroid belt are slower, and therefore create less melt and vapor. Also, fewer solar wind particles reach the asteroid belt. And finally, the higher rate of impactors and lower gravity of the smaller bodies means that there is more overturn and the surface exposure ages should be younger than the lunar surface. Therefore, space weathering should occur more slowly and to a lesser degree on the surfaces of asteroids. However, we do see evidence for asteroidal space weathering. For years there had been a so called "conundrum" in the planetary science community because, in general, the spectra of asteroids do not match the spectra of our collection of meteorites. Particularly, the spectra of S type asteroids, did not match the spectra of the most abundant type of meteorites, ordinary chondrites (OCs). The asteroid spectra tended to be redder with a steep curvature in the visible wavelengths. However, Binzel et al. have identified near Earth asteroids with spectral properties covering the range from S type to spectra similar to those of OC meteorites, suggesting an ongoing process is occurring that can alter the spectra of OC material to look like S type asteroids. There is also evidence of regolith alteration from Galileo's flybys of Gaspra and Ida showing spectral differences at fresh craters. With time, the spectra of Ida and Gaspra appear to redden and lose spectral contrast. Evidence from NEAR Shoemaker's x ray measurements of Eros indicate an ordinary chondrite composition despite a red sloped, S type spectrum, again suggesting that some process has altered the optical properties of the surface. Results from the Hayabusa spacecraft at the asteroid Itokawa, also ordinary chondrite in composition, shows spectral evidence of space weathering. In addition, definitive evidence of space weathering alteration has been identified in the grains of soil returned by the Hayabusa spacecraft. Because Itokawa is so small (550 m diameter), it was thought that the low gravity would not allow for the development of a mature regolith, however, preliminary examination of the returned samples reveals the presence of nanophase iron and other space weathering effects on several grains. In addition, there is evidence that weathering patinas can and do develop on rock surfaces on the asteroid. Such coatings are likely similar to the patinas found on lunar rocks. There is evidence to suggest most of the color change due to weathering occurs rapidly, in the first hundred thousands years, limiting the usefulness of spectral measurement for determining the age of asteroids.

Космическая погода на Меркурии

Окружающая среда на Меркурии также существенно отличается от лунной. Во-первых, дневная температура на Меркурии значительно выше (суточная температура поверхности около 100 °C на Луне и около 425 °C на Меркурии) и ниже ночью, что может изменять продукты космического выветривания. Кроме того, из-за своего местоположения в Солнечной системе, Меркурий подвергается несколько большему потоку микрометеоритов, которые сталкиваются с поверхностью на гораздо более высоких скоростях, чем на Луне. Эти факторы в совокупности делают Меркурий гораздо более эффективным в образовании расплавов и паров, чем Луна. Ожидается, что на единицу площади столкновения на Меркурии будут производить в 13,5 раз больше расплавов и в 19,5 раз больше паров, чем на Луне. Агглютинитовые стеклянные отложения и плёночные покрытия, образующиеся из паров, должны формироваться на Меркурии значительно быстрее и эффективнее, чем на Луне. Ультрафиолетовый и видимый спектр Меркурия, наблюдаемый с Земли с помощью телескопа, приблизительно линеен и имеет красноватый наклон. В нём отсутствуют полосы поглощения, связанные с минералами, содержащими железо, такими как пироксен. Это означает, что либо на поверхности Меркурия отсутствует железо, либо железо в железосодержащих минералах выветрилось до нанофазной формы. Выветренная поверхность, таким образом, может объяснить красноватый оттенок.