У Луны есть очень разрежённая атмосфера, один из компонентов которой, натрий, содержится также в лунных породах и интересен тем, что его следы легко обнаружить с использованием телескопов-спектрографов. Под давлением солнечного света атмосфера Луны вытягивается в виде длинного «хвоста», подобного хвостам комет и направленного в сторону от Солнца. В новолуние Земля на несколько дней попадает в его тень, а область его сгущения из-за земного притяжения можно зафиксировать в виде тусклой точки на небе.
Натриевое пятно (Sodium Moon Spot) на снимке неба с камеры широкого обзора (справа — отфильтрованный снимок без звёздного фона). JGR: Planets 126 e2020JE006671 (2021).
Поверхность Луны находится под постоянным воздействием метеоритов разных размеров, включая микрометеориты, а также излучения Солнца и солнечного ветра (ионизированных частиц плазмы из солнечной короны). Они выбивают из лунного реголита различные химические элементы, которые и создают лунную «атмосферу». Её плотность не сравнима с собственной атмосферой Земли или Марса, скорее она напоминает земную экзосферу на высоте от 700 км. Одним из высвобождаемых из лунного грунта элементов является натрий. Он обладает характерной линией излучения с длиной волны 589,3 нм — оранжевый цвет в видимом спектре, поэтому его легко наблюдать в «экзосферах» различных космических объектов, например, комет. Комета NEOWISE (C/2020 F3), видимая летом 2020 года, была примечательна «дополнительным» натриевым хвостом, кроме обычного, сложенного частицами пыли и кометного льда (см. более подробную статью о наблюдении этой кометы).
«Кометный хвост» Луны и сфокусированное натриевое пятно. JGR: Planets 126 e2020JE006671 (2021).
«Атмосферу» Луны исследуют при помощи нескольких специально предназначенных для этого инструментов, включая орбитальные телескопы. Одним из таких инструментов была в 2013—2014 гг. лунная орбитальная станция LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer). Солнечный ветер не только «создаёт» лунную атмосферу, распыляя реголит, но и относит её на большие расстояния, формируя её хвост — как у комет. Хвост направлен в сторону от Солнца и растягивается на ощутимые расстояния до полумиллиона километров и больше — дальше, чем расстояние от Луны до Земли. Во время новолуний, когда Луна находится с той же стороны, что и Солнце, Земля как раз попадает в этот поток. Концентрация «натриевой атмосферы» даже вблизи поверхности Луны составляет около 50 атомов на кубический сантиметр. Из-за своей разреженности никакого вреда или влияния на атмосферу Земли дополнительный поток частиц не оказывает, но это любопытное явление можно наблюдать. Атомы натрия обтекают Землю, но их очень рассеянный поток под действием земного притяжения фокусируется и формирует узкий пучок с уже доступной для наблюдений плотностью вещества. В новолуние на противоположной от Луны и Солнца стороне он появляется на небесной сфере в виде размытого пятна. Угловой диаметр пятна составляет ≈3° — шесть видимых диаметров Луны, но яркость пятна в 50 раз ниже порога различения невооружённым глазом. Поток частиц с лунной поверхности достигает Земли примерно за день или два, поэтому явление можно наблюдать с запаздыванием — пик свечения наблюдается с задержкой после новолуния, а пятно остаётся видимым ещё в начале новой фазы Луны.
Явление получило название «натриевого лунного пятна» (Sodium Moon Spot, SMS). На него впервые обратили внимание, по-видимому, только в конце 1990-х годов. С момента открытия астрономы изучают изменение его интенсивности в зависимости от различных условий — расстояния до Луны, солнечной активности и интенсивности метеорных потоков. Ожидаемо яркость «натриевого пятна» выше, когда Луна на орбите находится ближе к Земле. Интереснее исследовать связь яркости пятна с другими факторами, в частности, метеорными дождями. Механизм такой корреляции кажется ясным: когда Земля пересекает трассу очередного потока метеоров, увеличивается количество ударов метеоритных тел и о лунную поверхность, соответственно должна увеличиваться интенсивность натриевого потока, который увлекается солнечным ветром.
Первые наблюдения лунного натриевого пятна в 1998 году. S.M.Smith et al., Geophysical research Letters 26(12), 1649 (1999).
Астрофизики Бостонского университета в 1990-х годах располагали несколькими широкоугольными камерами с полным обзором неба в разных точках Земли. Эти камеры предназначались для наблюдения за полярными сияниями. При помощи специального фильтра в них можно наблюдать и свечение от линии натрия. Такие вспышки обычно фиксировали при сгорании метеоров в земной атмосфере. Открытие «натриевого пятна» с их помощью было почти случайным — наблюдали за сезонным метеорным потоком и обратили внимание на тусклое пятно, которое появлялось только в периоды новолуния, а на небесной сфере размещалось в противоположной от Луны точке. Первые наблюдения явления во время двух новолуний в 1998 году указывали на усиление его яркости во время ноябрьской сессии (18-20 ноября) по сравнению с августовской (21-22 августа). Это сразу связали с тем, что в ноябре Земля проходит на пути мощного метеорного потока Леониды (остатки одной из короткопериодических комет в окрестностях Солнца), и в 1998 году он как раз достиг своего 33-летнего максимума — в этом году комета проходила возле Солнца.
В новом исследовании, опубликованном в марте 2021 года в Journal of Geophysical Research: Planets, астрофизики Бостонского университета наконец проанализировали 21 тысячу снимков, снятых камерами широкого обзора с 2006 по 2019 год в обсерватории El Leoncito в Аргентине и систематизировали то, что известно о лунном «натриевом пятне». Пик его яркости на небе начинается через пять часов после точки новолуния, и пятно видно ярче, если Луна проходит севернее плоскости эклиптики (в среднем по большому числу наблюдений). Связь с метеоритными потоками, напротив, получилась не такая тривиальная, как думали сначала. Оказалось, что корреляция с параметрами солнечного ветра и с регулярными метеорными потоками наподобие Леонид на большой выборке наблюдений не подтверждается. Зато обнаружилась прямая связь между яркостью пятна и интенсивностью спорадических метеоров (не принадлежащих к известным потокам) — возможно, среди них в среднем чаще встречаются метеорные тела с большей энергией, к тому же налетающие на Луну с лобового направления и выбивающие больше материала при ударе.
Статистика яркости «лунного натриевого пятна» в зависимости от фазы, положения Луны и наличия метеорных потоков. j.Baumgardner et al.,JGR: Planets 126 e2020JE006671 (2021).
Солнечный ветер и излучение разносят экзосферы планет и спутников на большие расстояния, перенося химические элементы между ними. Так, известна обратная ситуация — «кометный хвост» из атмосферы Земли, который достигает Луны и способен влиять на её геологические процессы. Такая конфигурация возникает в полнолуние, когда Луна находится на противоположной стороне от Солнца и сама попадает в «тень» хвоста от Земли (про недавнее исследование на эту тему см. другую статью). Материал таким образом может разноситься по всей орбите небесного тела и за её пределы, благодаря чему мы наблюдаем на небе не только хвосты комет и метеорные потоки, но даже последствия пылевых бурь на Марсе (см. недавнюю статью про возможное происхождение зодиакального света). Вероятно, увлечение вещества под действием Солнца — важный механизм обмена веществом между объектами Солнечной системы.
https://22century.ru/wp-content/uploads/2021/04/92120_1_00sci-moonbeam-video_wg_720p.mp4Хвост натриевой экзосферы Луны и его фокусирование в гравитационном поле Земли. James O’Donoghue/@PhysicsJ.