Pole magnetyczne Księżyca jest tajemnicą, która prześladuje astrofizyków, ponieważ jeśli istnieje, to istnieją ku temu powody. I jak się okazało, rzeczywiście pole magnetyczne Księżyca może wynikać z faktu, że dysponuje on rdzeniem, który swoim składem i właściwościami przypomina „serce” Ziemi. Kiedy w latach 60. i 70. Apollos zaczął dostarczać próbki skał z Księżyca, naukowcy byli zaskoczeni, ponieważ w istniejących warunkach słabej grawitacji próbki te powinny być nieco inne. Od tego czasu na świecie pojawiły się dwa przeciwstawne naukowe punkty widzenia. Według pierwszego uważa się, że Księżyc zawsze był taki, jaki znamy, powstał jedynie dzięki uderzeniom meteorytów, które pozostawiły na nim duże kratery.

Według drugiej teorii zewnętrzna powłoka Księżyca powstała w wyniku procesów zachodzących pod powierzchnią powłoki Księżyca. Jak się okazało, badając próbki przywiezione na Ziemię z Księżyca trzydzieści lat temu, większość z nich została uformowana przez sam Księżyc i nie uległa wpływowi meteorytów. Oznacza to, że jego powstanie jest związane z tym, jakie procesy tektoniczne zachodziły w jądrze Księżyca oraz w górnych warstwach płaszcza, które z czasem stwardniały. Naukowcom z Massachusetts Institute of Technology udało się ustalić, że nawet obecnie we wnętrzu Księżyca znajduje się rdzeń składający się ze stopionego żelaza. Coraz więcej badań wskazuje, że wewnątrz Księżyca może znajdować się duże jądro ze stopionego żelaza, a przynajmniej na to wskazuje większość badań. Do takiego właśnie wniosku dochodzi Ian Garrick-Bethell, lider zespołu naukowego.

Chyba warto wyjaśnić, dlaczego naukowcy tak dużo uwagi, naukowcy tak dużo uwagi poświęcają budowie Księżyca, dlaczego wierzą, że jądro jest czymś niesamowitym, bo jest na Ziemi, dlaczego nie miałoby być w naszym najbliższym satelicie . W rzeczywistości naukowcy od dawna wierzyli, że ta formacja Księżyca należy do niektórych reliktów Układu Słonecznego. Jest to po prostu duża kamienna kula, która nie może mieć własnego rdzenia. Ale to błędne przekonanie można łatwo wyjaśnić, ponieważ w rzeczywistości określenie, co znajduje się wewnątrz Księżyca, nie jest takie proste, ponieważ nie jest to łatwe zadanie. Przecież nie da się zejść na takie głębokości. A prawidłowe założenie można było przyjąć dopiero wtedy, gdy z powierzchni zebrano wystarczającą ilość materiału i pojawiły się „zaawansowane metody badawcze”. Rzeczywiście, na satelicie zebrano obecnie dużą ilość materiału faktycznego, co znacznie ułatwia zrozumienie procesów zachodzących na nim. Nikt jednak nie jest w stanie powiedzieć, jak potoczą się dalsze badania – potrzebne są dokładniejsze dane dotyczące budowy oraz rozwoju geologii i tektoniki Księżyca.

Pole magnetyczne

Efekty grawitacyjne wywołane obecnością Księżyca i Słońca powodują cykliczne deformacje płaszcza Ziemi, powodując w ten sposób wahanie jej osi obrotu. Ten efekt mechaniczny wpływa na całą planetę jako całość i powoduje silne prądy w zewnętrznym jądrze, które składa się z ciekłego żelaza o bardzo niskiej lepkości. Takie prądy są wystarczające do wytworzenia ziemskiego pola magnetycznego.

Ziemskie pole magnetyczne stale chroni nas przed naładowanymi cząsteczkami i promieniowaniem generowanym przez Słońce. Tarcza ta jest utworzona przez geodynamo, szybki ruch ogromnych ilości ciekłego stopu żelaza w zewnętrznym jądrze Ziemi. Aby utrzymać to pole magnetyczne do dziś, zgodnie z modelem klasycznym, Ziemia potrzebowała jądra, które ochłodziło się o około 3000°C w ciągu ostatnich 4,3 miliarda lat.

Teraz zespół naukowców z CNRS i Uniwersytetu Pascala twierdzi, że temperatura rdzenia spadła zaledwie o 300°C. Wynika to z faktu, że do tej pory naukowcy nie uwzględnili wpływu Księżyca, który, jak się uważa, kompensował tę różnicę i utrzymywał geodynamo w stanie aktywnym. Praca badaczy została opublikowana 30 marca 2016 roku w czasopiśmie Earth and Planetary Science Letters.

Klasyczny model powstawania ziemskiego pola magnetycznego charakteryzuje się paradoksem: gdy zadziała geodynamo, jądro Ziemi, które zostało całkowicie stopione cztery miliardy lat temu i miało dziś temperaturę około 6800°C, ostygłoby do 3800°C. Jednak najnowsze symulacje wczesnych ewolucji temperatury wewnętrznej planety, wraz z badaniami geochemicznymi składu najstarszych karbonatytów i bazaltów, nie potwierdziły takiego ochłodzenia. Naukowcy sugerują zatem, że geodynamo ma inne źródło energii.

Ziemia ma lekko spłaszczony kształt i obraca się wokół nachylonej osi, która obraca się wokół biegunów. Jego płaszcz jest elastycznie odkształcony w wyniku pływów wywołanych przez Księżyc. Naukowcy wykazali, że efekt ten może w sposób ciągły stymulować ruch ciekłego stopu żelaza tworzącego zewnętrzne jądro, co z kolei generuje ziemskie pole magnetyczne. W wyniku transferu energii grawitacyjnej pochodzącej z rotacji układu Ziemia-Księżyc-Słońce Ziemia otrzymuje w sposób ciągły 3700 miliardów watów mocy, z czego uważa się, że ponad 1000 miliardów watów jest dostępnych do wytworzenia tego typu ruchu w przestrzeni zewnętrznej rdzeń. Energia ta wystarczy do wygenerowania ziemskiego pola magnetycznego, rozwiązując w ten sposób główny paradoks teorii klasycznej. Wpływ sił grawitacyjnych na pole magnetyczne planety udokumentowano już na przykładzie dwóch satelitów Jowisza: Io i Europy, a także szeregu egzoplanet.

Ponieważ ani obrót Ziemi wokół własnej osi, ani kierunek jej osi, ani orbita Księżyca nie są stałe, ich łączny wpływ na ruch w jądrze jest niestabilny i może powodować oscylacje dynama. Proces ten może wyjaśniać obecność cieplejszych obszarów w jądrze zewnętrznym i na jego granicy z płaszczem Ziemi. Co z kolei może doprowadzić do najważniejszych wydarzeń wulkanicznych w historii Ziemi. Nowy model pokazuje, że wpływ Księżyca na Ziemię wykracza daleko poza zwykłe pływy.

Ziemskie pole magnetyczne stale chroni nas przed naładowanymi cząsteczkami i promieniowaniem docierającym do nas ze Słońca. Tarcza ta powstaje w wyniku szybkiego ruchu ogromnej ilości stopionego żelaza w zewnętrznym jądrze Ziemi (geodynamo). Aby pole magnetyczne przetrwało do dziś, klasyczny model przewiduje ochłodzenie jądra o 3000 stopni Celsjusza w ciągu ostatnich 4,3 miliarda lat.

Jednak zespół naukowców z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i Uniwersytetu Blaise Pascal poinformował, że temperatura rdzenia spadła zaledwie o 300 stopni. Ignorowane wcześniej działanie Księżyca kompensowało różnicę temperatur i utrzymywało geodynamo. Praca została opublikowana 30 marca 2016 roku w czasopiśmie Earth and Planetary Science Letters.

Klasyczny model powstawania ziemskiego pola magnetycznego doprowadził do paradoksu. Aby geodynamo zadziałało, Ziemia musiała zostać całkowicie stopiona 4 miliardy lat temu, a jej jądro musiało powoli ostygnąć z 6800 stopni wówczas do 3800 stopni obecnie. Jednak najnowsze modelowanie wczesnych zmian temperatury wewnętrznej planety, w połączeniu z badaniami geochemicznymi składu najstarszych karbonatytów i bazaltów, nie potwierdza takiego chłodzenia. Naukowcy sugerują zatem, że geodynamo ma inne źródło energii.

Ziemia ma lekko spłaszczony kształt i nachyloną oś obrotu, która obraca się wokół biegunów. Jego płaszcz jest elastycznie odkształcony w wyniku pływów wywołanych przez Księżyc. Naukowcy wykazali, że efekt ten może w sposób ciągły stymulować ruch stopionego żelaza w jądrze zewnętrznym, co z kolei generuje ziemskie pole magnetyczne. Nasza planeta w sposób ciągły otrzymuje 3700 miliardów watów mocy poprzez transfer grawitacyjnej energii rotacyjnej z układu Ziemia-Księżyc-Słońce i uważa się, że geodynamo dysponuje ponad 1000 miliardami watów. Energia ta wystarczy do wygenerowania pola magnetycznego Ziemi, co wraz z Księżycem wyjaśnia główny paradoks teorii klasycznej. Wpływ sił grawitacyjnych na pole magnetyczne planety został już dawno potwierdzony na przykładzie satelitów Jowisza Io i Europa, a także szeregu egzoplanet.

Ponieważ ani obrót Ziemi wokół własnej osi, ani kierunek osi, ani orbita Księżyca nie są regularne, ich łączny efekt jest niestabilny i może powodować wahania geodynama. Proces ten może wyjaśniać niektóre impulsy cieplne w jądrze zewnętrznym i na jego granicy z płaszczem Ziemi.

Nowy model pokazuje zatem, że wpływ Księżyca na Ziemię wykracza daleko poza pływy.

Niedawno odkryto, że Księżyc ma również właściwości magnetyczne. Dane uzyskane z sond automatycznych powiedziały naukowcom, że wiatr słoneczny opływa Księżyc i oddziałuje z nim zupełnie inaczej niż z Ziemią, gdyż on w przeciwieństwie do naszej planety nie posiada własnego pola magnetycznego. Ale to wcale jej nie powstrzymuje...

Wokół Ziemi przepływ wiatru słonecznego tworzy magnetosferę - wnękę w kształcie ogromnej wydłużonej kropli, wewnątrz której objawia się pole geomagnetyczne. Część głowy jest zawsze zwrócona w stronę Słońca, skąd pochodzi wiatr słoneczny, odległość do jej granicy wynosi 10-12 promieni Ziemi, czyli około 70 tysięcy kilometrów. Po nocnej stronie Ziemi, w kierunku antysłonecznym, długi ogon magnetosfery rozciąga się na ponad 200 promieni Ziemi, a jego długość wynosi ponad milion kilometrów. A ta magnetosfera leci na orbicie razem z Ziemią, otaczając Ziemię i chroniąc planetę przed szkodliwym promieniowaniem krótkofalowym.

Ale to wszystko jest powłoką magnetyczną Ziemi. A co z satelitą naszej planety? Wiarygodne informacje eksperymentalne na temat pola magnetycznego Księżyca po raz pierwszy uzyskali rosyjscy naukowcy z Instytutu Magnetyzmu Ziemskiego, Jonosfery i Propagacji Fal Radiowych Rosyjskiej Akademii Nauk, kiedy odbył się pierwszy udany lot statku kosmicznego z Ziemi na Księżyc uruchomiona w 1959 r. Należy to szczególnie omówić, ponieważ ta misja kosmiczna została po raz pierwszy wyposażona w instrumenty naukowe, które telemetrycznie przesyłały dane naukowe do centrum kontroli podczas lotu z Ziemi na Księżyc, ponieważ los misji był krótki – polecieć na Księżyc i rozbijają się podczas twardego lądowania...

12 września 1959 roku wystrzelono rakietę nośną Wostok-L, która umieściła automatyczną stację międzyplanetarną (AIS) Luna-2 na torze lotu na Księżyc. Statek kosmiczny nie miał własnego układu napędowego i po prostu rozbił się 14 września 1959 roku, po raz pierwszy na świecie docierając do powierzchni Księżyca w rejonie Mare Serenity w pobliżu kraterów Aristil, Archimedes i Autolycus. Na powierzchnię Księżyca dostarczono proporczyk przedstawiający herb Związku Socjalistycznych Republik Radzieckich! N. S. Chruszczow podarował kopię proporczyka amerykańskiemu prezydentowi Eisenhowerowi na pamiątkę podczas jego podróży do USA.

Z punktu widzenia osiągnięć naukowych był to pierwszy udany eksperyment. Na statku kosmicznym Łuna-2 zainstalowano aparaturę naukową: liczniki scyntylacyjne, liczniki Geigera, magnetometry, a także detektory mikrometeorytów. Za magnetometry odpowiedzialny był pracownik IZMIRAN, kierownik laboratorium S. Sz. Dołginow, specjalista w dziedzinie magnetyzmu planetarnego. Sygnały telemetryczne z instrumentów zostały odebrane pomyślnie, ale sygnały z magnetometrów nie wykazały wielkości pola magnetycznego Księżyca! Przeprowadzono eksperyment mający na celu zmierzenie magnetyzmu Księżyca i trzeba było mieć zaufanie do swoich instrumentów i niezwykłą odwagę, aby natychmiast wyrazić swój punkt widzenia, tak jak zrobił to S. Sz. Dołginow. Powiedział, że Księżyc nie ma własnego pola magnetycznego w konfiguracji dipolowej! Wyniki opublikowano w rosyjskiej prasie naukowej. W ten sposób dokonano pierwszego odkrycia, które określiło Księżyc jako niemagnetyczne ciało kosmiczne!

Od tych pierwszych kroków w kosmos minęły lata. Obecnie misje kosmiczne są liczne i zróżnicowane, obejmując pomiary pól magnetycznych wiatru słonecznego i magnetosfery, asteroidów i innych planet. Teraz możliwe jest badanie i odkrywanie znacznie bardziej subtelnych efektów i interakcji.

A niedawno okazało się, że Księżyc, który nie ma własnego pola magnetycznego, mimo to wpływa na pola magnetyczne wiatru słonecznego, a zmiany te są wykrywane dziesiątki tysięcy kilometrów od powierzchni Księżyca. Wynika to ze specyfiki przepływu wokół Księżyca z ciągłym strumieniem plazmy płynącym bezpośrednio ze Słońca, który jest bardzo zmienny, jego parametry zmieniają się szybko. Zmienia się prędkość i gęstość cząstek w nadchodzącej plazmie, a także międzyplanetarne pole magnetyczne niesione przez wiatr słoneczny, wahające się od jednostek do dziesiątek nT.

Ale dlaczego to wszystko się dzieje, skoro Księżyc nie ma magnetosfery z powodu braku własnego pola magnetycznego? Rzecz w tym, że strumień plazmy wiatru słonecznego swobodnie dociera do powierzchni satelity po oświetlonej stronie Księżyca. Niemniej jednak on sam niesie ze Słońca międzyplanetarne pole magnetyczne i jest ośrodkiem przewodzącym, którego struktura i zachowanie podczas przepływu wokół Księżyca okazały się znacznie bardziej złożone, niż zakładali badacze NASA, jak podano w niedawnym komunikacie prasowym .

Nawet w odległości około 10 tysięcy kilometrów nad powierzchnią Księżyca rejestrowane są plazmowe przepływy jonów i elektronów, powodując turbulentne zakłócenia w nadchodzącym przepływie wiatru słonecznego. Parametry plazmy zmieniają się na długo przed powierzchnią Księżyca. Te zjawiska turbulencji wiatru słonecznego na długo przed wystąpieniem przeszkody zidentyfikowano w danych wielu statków kosmicznych: amerykańskiej sondy Lunar Prospector, japońskiego satelity Kaguya (SELENE), chińskiego Chang ′ e-2, indyjskiego Chandrayaan-1.

Sonda kosmiczna ARTEMIS oprócz zmian gęstości i energii elektronów i jonów wykryła obecność fal elektromagnetycznych i elektrostatycznych w jeszcze większej odległości od Księżyca w strumieniu wiatru słonecznego. Obszar ten przypomina strefę sprężonej plazmy podczas opływania przeszkody, tzw. „wstrząs czołowy”. Zjawisko to występuje przed dziobową falą uderzeniową w magnetosferze Ziemi. Ponieważ Księżyc, jak wspomniano powyżej, nie posiada magnetosfery, zjawisko to najprawdopodobniej należy przypisać właściwościom plazmy przepływającej wokół przeszkód.

Modelowanie komputerowe procesów plazmowych wykazało, że bezpośrednio w pobliżu powierzchni Księżyca, pod wpływem promieniowania słonecznego, podczas przepływu strumienia plazmy powstają zmienne pola elektryczne. Okazało się, że mogą przyspieszać elektrony uwalniane z powłok elektronowych atomów przez promienie ultrafioletowe pochodzące ze Słońca. Przepływy jonów powstają z protonów wiatru słonecznego i są odbijane z powrotem pod wpływem słabych pól magnetycznych o namagnesowaniu remanentnym, które są zachowane w skałach powierzchniowych satelity Ziemi w niektórych obszarach powierzchni Księżyca. Te strumienie jonów odbijają się z powrotem w przestrzeń i przypominają strumienie fontann.

Pola elektromagnetyczne namagnesowania resztkowego, które pojawiają się w odległości zaledwie kilku metrów od powierzchni, stymulują turbulentne zakłócenia w wietrze słonecznym tysiące kilometrów od Księżyca. Podobne zjawiska mogą zachodzić w sąsiedztwie innych ciał Układu Słonecznego, które nie posiadają własnego globalnego pola magnetycznego. Przepływ wiatru słonecznego wokół takich przeszkód ujawnił wiele nieoczekiwanych efektów plazmowych, które wymagają dalszych badań.

Dane te są istotne dla określenia bezpieczeństwa misji załogowych na Księżyc.

Kilka miliardów lat temu Księżyc miał w przybliżeniu takie samo silne pole magnetyczne jak Ziemia, chociaż jego intensywność była około 30 razy mniejsza. Pole magnetyczne Ziemi i niektórych innych planet pełni funkcję ochronną, odchylając większość wiatru słonecznego, który niszczy warstwę ozonową.

Pole magnetyczne Ziemi powstaje w wyniku ruchu cząstek w płynnym jądrze. Jądro Księżyca ma nieco inną budowę i jest znacznie mniejsze. Jednak naukowcy zasugerowali i niemal udowodnili, że wiele lat temu we wnętrzu Księżyca znajdowało się właśnie takie jądro. Wytworzyło potężne pole magnetyczne. Obecność namagnesowania wokół Księżyca obala teorię, że planeta ta jest ogromną formacją skalną i nie może mieć własnego jądra. Nie da się zajrzeć w głąb Księżyca i dobrze zbadać jego strukturę, ale można to zrobić na podstawie pewnych pośrednich znaków.

Druga hipoteza głosiła, że ​​namagnesowanie nie było spowodowane małym metalowym jądrem Księżyca, ale grubą warstwą stopionej (płynnej) skały znajdującej się na nim.

Pole magnetyczne współczesnego Księżyca

W rzeczywistości pole magnetyczne współczesnej planety Księżyc składa się ze stałych i zmiennych strumieni. Pola stałe tworzone są przez namagnesowane skały powierzchniowe. Zmieniają się bardzo szybko z jednego punktu do drugiego. Zmienne pola powstają w głębinach Księżyca.

Pole magnetyczne Księżyca jest obecnie bardzo słabe. Jego napięcie wynosi około 0,5 gamma. Eksperci wyjaśniają, że stanowi to około 0,1% natężenia pola ziemskiego. Nie mierzono pola elektrycznego w pobliżu Księżyca, ale przeprowadzono badania i naukowcy odkryli, że ono istnieje i ze względu na znaczny wpływ pływów z Ziemi, wewnątrz Księżyca powinna nastąpić silna redystrybucja ładunków elektrycznych.