Роль солнечного ветра в формировании плазменных облаков над поверхностью Луны.

В ряде лунных радиозатменных экспериментов, выполненных с помощью космических аппаратов и естественных радиоисточников были обнаружены плазменные образования с концентрацией до 1000 электронов на кубический сантиметр на высотах в несколько десятков километров над дневной поверхностью Луны [1-3]. Это явление не удается объяснить ионизацией разреженной атмосферы Луны или наличием ионизованных частиц пыли [4-6]. В первом случае ионы увлекаются солнечным ветром, а во втором – известные механизмы ионизации пыли и ее подъема не обеспечивают формирование плазменных облаков с необходимой концентрацией электронов. Формально создание такого слоя плазмы возможно за счет фотоэлектронов, выбиваемых ультрафиолетовым излучением Солнца, поток которых составляет около 10^10 на кв.см. В данном сообщении рассматривается влияние магнитных неоднородностей солнечного ветра на высоту фотоэлектронного слоя и вынос электронов в лунную атмосферу.
По современным представлениям магнитные неоднородности солнечного ветра имеют бессиловую структуру магнитного жгута [7]. Обширная статистика прохождения мелкомасштабных магнитных жгутов в окрестности Земли представлена в базе данных (fluxrope.info SMALL-SCALE MAGNETIC FLUX ROPE DATABASE), основанной на измерениях с космическими аппаратами WIND и ACE, которые перемещаются по околоземным орбитам. Наблюдавшиеся события имели длительность от десятков часов до 9 минут. Интенсивность магнитных полей изменялась от единиц нанотесла (нТл) до 15-20 нТл. Вероятность прохождения Луны через такие неоднородности достаточно высока. Например, с ноября 2007 г. по июнь 2009 г. в рамках проекта SELENE было проведено более 300 сеансов радиопросвечивания окололунного пространства [2]. За это же время число зарегистрированных мелкомасштабных жгутов в наблюдениях с помощью КА WIND – ACE составило более 2000, в среднем более 3 событий за сутки. При попадании такого жгута на Луну токи Биркеланда поглощаются лунной поверхностью, а соответствующее им магнитное поле стремится восстановить эти токи, в результате чего поверхность приобретает заряд, знак которого зависит от направления токов Биркеланда. Согласно теоретической модели толщина фотоэлектронного слоя [8], возникающего на дневной поверхности Луны при
перпендикулярном падении УФ-излучения Солнца, порядка 10 см для потока
фотоэлектронов 0,8⨯10^11 на кв.см и кинетической энергии электрона 2 эВ. Кинетическая энергия тяжелых частиц солнечного ветра значительно превышает эту величину, поэтому они проникают в лунный грунт. Плотность токов в магнитных жгутах достигает единиц наноампер (нА) и более. При концентрации 10 электронов на куб.см и плотности тока 1 нА в кв. м относительная скорость зарядов составит около 620 м∕с. Поэтому уже за 1 секунду накопленный заряд обеспечил бы на расстоянии 1 м от поверхности Луны разность потенциалов примерно 50 вольт [10, стр.91]. При увеличении положительного поверхностного заряда толщина слоя будет уменьшаться. Уменьшение положительного поверхностного заряда позволит фотоэлектронам подниматься выше и при достаточном запасе энергии магнитного поля жгута токи Биркеланда смогут скомпенсировать фотоэлектронный ток и тогда весь поток фотоэлектронов покинет поверхность Луны. При начальной скорости фотоэлектронов 800 км/с и потоке 0,8⨯10^11 на кв. см концентрация электронов составила бы 1000 эл /куб.см , что соответствует результатам радиозатменных измерений. Время рассыпания потока фотоэлектронов согласно [10, стр. 244] для частиц, движущихся со скоростью больше тепловой скорости электронов, имеет порядок 100 с. Время торможения потока фотоэлектронов близко времени их рассыпания. Поэтому есть вероятность того, что за время торможения фотоэлектроны поднимутся на десятки километров над поверхностью Луны.
Представленные оценки являются предварительными и могут быть конкретизированы по мере поступления новых экспериментальных данных и уточнения модели физической среды в окололунном пространстве.