Группа российских физиков показала, что в приповерхностном слое на освещенной стороне Деймоса — второго по величине спутника Марса — происходит формирование пылевой плазмы. Заряженная пыль на марсианских спутниках несет угрозу для работы посадочных модулей будущих миссий к этим объектам. Ученые определили характеристики пылевых частиц и электрических полей, в которых формируется пылевая плазма, и обнаружили, что из-за малой гравитации над поверхностью Деймоса поднимаются существенно более крупные пылевые частицы, чем над поверхностью Луны. Работа опубликована в журнале Plasma Physics Reports.

В последние годы происходит активное исследование Марса и его спутников космическими аппаратами. Уже 15 лет работает орбитальный аппарат миссии «Mars Express», орбита которого позволяет проводить регулярные наблюдения спутника красной планеты — Фобоса. В этом году на рабочую орбиту вокруг Марса вышел аппарат «Trace Gas Orbiter» миссии «ExoMars». Поверхность планеты бороздят марсоходы NASA «Opportunity» и «Curiosity».

Спутники Марса — Фобос и Деймос — также вызывают интерес в том числе тем, что обладают слабым гравитационным полем, в тысячи раз меньшем, чем земное, а значит, являются отличными объектами для пилотируемых полетов. Посадка космического аппарата на такой объект скорее напоминает стыковку с другим аппаратом, чем приземление на планету. И последующий взлет не потребует большого количества топлива и мощных двигателей. Поэтому в середине следующего десятилетия планируется запуск к Фобосу миссии «Фобос-Грунт 2» с посадочным модулем, который должен будет доставить на Землю образцы поверхностного грунта спутника Марса.

Поверхность марсианских спутников покрыта пылью, которая состоит из крупинок реголита, образовавшегося в результате микрометеороидной бомбардировки. Слабая гравитация усиливает роль пыли на Деймосе, поскольку даже небольшое возмущение, связанное с посадкой исследовательского аппарата, может привести к формированию массивного пылевого облака над поверхностью. Деймос фактически не имеет атмосферы, поэтому его поверхность заряжается под действием электромагнитного излучения Солнца и плазмы солнечного ветра, чего по большому счету не происходит с космическими объектами, покрытыми атмосферой, как Земля. При взаимодействии с солнечным излучением, вследствие фотоэффекта, поверхностью и пылевыми частицами испускаются электроны. В результате грунт и отдельные пылевые частицы положительно заряжаются и начинают электростатически отталкиваться — пыль поднимается над поверхностью.

«Когда мы рассматриваем Фобос и Деймос, можно учитывать только электростатическое взаимодействие пыли с поверхностью. Такое приближение по нашим расчетам должно хорошо работать для этих объектов. По аналогии с Луной в случае с Деймосом можно ожидать, что основная часть пылевых частиц содержится именно в приповерхностном слое. Образование пылевой плазмы здесь связано с зарядкой пылевых частиц, их взаимодействием с заряженной поверхностью Деймоса, последующим подъемом и движением заряженной пыли», — говорит соавтор работы доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики МФТИ, заведующий лабораторией плазменно-пылевых процессов в космических объектах ИКИ РАН, Сергей Попель.

Вторая космическая скорость для Фобоса и Деймоса, то есть минимальная скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно покинули орбиту этих спутников, очень небольшая, для Фобоса 10 м/с, для Деймоса 6 м/с. Поэтому часть поднявшихся высоко над поверхностью пылевых частиц улетает от этих объектов в космическое пространство. Эта пыль может создавать так называемое пылевое гало между Фобосом, Деймосом и Марсом.

«На Луне слой реголитовой пыли на поверхности составляет около 4 сантиметров. Чаще всего встречаются частички пыли размером 50-70 микрон. В связи с тем, что гравитация на Луне достаточно большая по сравнению с Фобосом и Деймосом, из-за электростатического взаимодействия могут подниматься над поверхностью в основном частички до 100 нанометров в размере. Поэтому их тяжело обнаружить, но вред здоровью они могут причинить очень большой, вызвав у космонавта заболевания верхних дыхательных путей, типа силикоза», — продолжает Сергей Попель.

Для справки:

Рабочие, которые заняты в строительной промышленности, вдыхают силикатную пыль. Попадая в легкие эти наночастицы провоцируют возникновение злокачественных образований — силикоза. То же самое может случится с космонавтом на Луне: при прогулке по поверхности, где из-за слабой атмосферы адгезия очень большая (адгезия – способность частиц прилипать к чему-либо), на скафандр налипает мелкая пыль. А в космическом модуле, где поддерживается нормальное давление, адгезия гораздо меньше — пыль отлипнет от скафандра и попадет в воздух. И космонавты будут эту наноразмерную пыль вдыхать.

На Фобосе и Деймосе, где гравитация гораздо меньше лунной, взлетают и более крупные пылевые частицы — порядка микрона или нескольких микрон. Для таких частиц адгезия гораздо слабее. При этом эффекты, связанные с пылью будут все еще существенны для космических аппаратов: аппарат совершил посадку — поднялось облако пыли, которая опустится на солнечные батареи. В результате аппарат окажется без энергии.

Получается, что определение распределения пылевых частиц в приповерхностном слое по размерам и по высотам над поверхностью будет полезно для будущих миссий предполагающих спуск аппаратов на поверхность этих спутников. На высотах, много больших характерного линейного размера Деймоса (15 км), пылевые частицы уже рассматривались учеными ранее. Однако о параметрах пыли в приповерхностном слое, то есть на высотах меньше 15 км, практически нет данных.

«В своей работе мы описали свойства пылевой плазмы в приповерхностном слое над освещенной частью Деймоса, вычислили электрические поля, а также параметры фотоэлектронов и пыли над поверхностью Деймоса. Мы исследовали, как влияют на взаимодействие пыли с заряженной поверхностью солнечное излучение и фотоэффект и определили распределение пылевых частиц на поверхности Деймоса», — заключает Сергей Попель.

В работе принимали участие ученые из Института космических исследований РАН, МФТИ и НИУ ВШЭ. Работа была поддержана Президиумом РАН и Российским фондом фундаментальных исследований.