فرسایش فضایی بر روی سطح کره‌ی ماه و سیارک‌ها

فرسایش فضایی بر روی سطح کره‌ی ماه و سیارک‌ها

سطحِ اجرام فاقد جو در منظومه‌ی شمسی‌ از قبیل سیارک‌ها، سیاره‌های کوتوله و قمرهای سیاره‌ها که در معرض فضای بین‌سیاره‌ای هستند، به مرور زمان فرسایش می‌یابد. این تغییرات تدریجی در خاک سطح این اجرام که توسط کند‌‌و‌‌‌پاش(۱) تابش و ذرات باد‌ خورشیدی، برخورد شهاب‌سنگ و ریز شهاب‌سنگ‌ها و تابش پرتو‌های کیهانی و خورشیدی رخ می‌دهد، به نام فرسایش فضایی معروف است. در حقیقت فرسایش فضایی عامل تغییر در خواص نوری، ترکیب‌های کانی و شیمیایی بر سطح این اجرام است و به‌ همین دلیل موضوع فرسایش فضایی برای پژوهشگران در حوزه‌ی مطالعات سنجش از راه دور سیارات و سیارک‌ها اهمیت بسیار دارد. 

شکل ۱. فرآیندهای مختلف دخیل در فرسایش فضایی و سازوکار وابسته به آن بر روی خاک اجرام بدون جو در منظومه‌ی شمسی. منبع شکل: Journal of Geophysical Research: Planets, Volume 121, Issue 10, pages 1865-1884, 21 Oct 2016.

شکل ۱. فرآیندهای مختلف دخیل در فرسایش فضایی و سازوکار وابسته به آن بر روی خاک اجرام بدون جو در منظومه‌ی شمسی.
منبع شکل: Journal of Geophysical Research: Planets, Volume 121, Issue 10, pages 1865-1884, 21 Oct 2016.

شکل ۱ فرآیند‌های متفاوتی که منجر به فرسایش فضایی می‌شوند را به تصویر کشیده است. عامل‌های تعیین‌کننده در چگونگی و سهم این فرآیندها در فرسودگی خاک اجرام منظومه‌‌ی شمسی‌ عبارتند از:

ـ مکان جرم در منظومه‌ی ‌شمسی که منجر به تفاوت در سرعت برخورد و شاره‌ی ذرات و تابش کیهانی و خورشیدی می‌شود. افزون بر این هر جرم فضایی دمای متفاوتی را تجربه خواهد کرد.
ـ نوع خاک سیاره‌ای از جمله ترکیبات، بافت و  اندازه‌ی ذرات تشکیل‌دهنده.
ـ مدت زمان قرار گرفتن در معرض فضای بین‌سیاره‌ای.

انواع مختلف فرسایش فضایی بر اساس داده‌های سنجش از راه دور، جمع‌آوری شده از کره‌ی ماه و سیارک‌‌ها به‌ علاوه‌ی نمونه‌های برگشتی واقعی از کره‌ی ‌ماه و سیارک ایتوکاوا (اجرام نزدیک به زمین) در ادامه خلاصه شده‌اند.

۱- فرسایش فضایی وابسته به ماه

نخستین بار در سال ۱۹۵۵ فرضیه‌ی فرسایش فضایی بر‌ روی کره‌ی ماه با مشاهده‌ی ازبین‌رفتن تدریجی پرتوهای دهانه‌ی ماه آغاز شد. در واقع با بررسی طیف‌های به‌دست‌آمده از طریق طیف‌نگاری زمینی همراه با نمونه‌های برگشتی از کره‌ی ‌ماه توسط ماموریت فضایی‌ آپولو این فرضیه به آزمایش گذاشته شد.

 نمونه‌های برگشتی از کره‌‌ی ماه شامل دو دسته خاک هستند که از نواحی مختلف ماه از جمله دهانه‌ها و پهنه‌های تیره‌رنگ جمع‌آوری شده‌اند. دسته‌ی اول، لایه‌ای از خاک که روی سطح کره‌‌ی ماه را پوشانده است و به‌نام سنگ‌پوشه(۲) معروف است و دسته‌ی دوم، خاک در لایه‌های زیرین سنگ‌پوشه که خاک تازه‌ی ماه نام‌گذاری شده است. نتایج آزمایش‌ها بر روی نمونه‌های برگشتی نشان می‌دهد که خواص اپتیکی سنگ‌پوشه‌های ماه که در معرض فرسایش فضایی قرار داشته با خاک تازه‌ی ماه تفاوت دارد، به‌صورتی که طیف سنگ‌پوشه، تاریک‌تر (به‌ خصوص در ناحیه‌ی مرئی‌ طیف) و خطوط طیفی وابسته به کانی‌های موجود در خاکِ سنگ‌پوشه به‌طور قابل‌توجهی ضعیف‌تر است.

دو پرسشی که درباره‌ی تغییرات نوری ناشی از فرسایش بر روی سطح ماه ایجاد می شود، عبارتند از:

  • نخست، چه عاملی می‌تواند موجب این تغییرات نوری بر روی سطح ماه شده باشد؟ 

اولین کسانی که سعی در یافتن پاسخ این سوال داشتند، دو پژوهشگر به نام‌های هاپکه و کاسیدی بودند که در سال ۱۹۷۵ با مطالعه‌ی طیف‌های گرفته‌شده از زمین و معادلات انتقال نور در ماده‌، عامل اصلی را ذرات بسیار ریز آهن فلزی در اندازه‌ی نانو (با علامت اختصاری npFe0) پیشنهاد کردند. در نهایت، وجود این ذرات در سال های ۱۹۹۳ و ۱۹۹۷ در نمونه‌های برگشتی از سطح ماه با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری اثبات شد. در شکل ۲، تصویری از میکروسکوپ الکترونی عبوری ارائه‌ شده است که حضور ذرات آهن فلزی در اندازه‌ی نانو را در لبه‌ی نمونه‌ی برگشتی به خوبی آشکار می‌سازد. 

شکل ۲. تصویری از میکروسکوپ الکترونی عبوری که حضور نانو ذرات آهن شکل‌گرفته در دو لایه‌ را در داخل لبه‌ی نمونه‌ی برگشتی از سطح کره‌ی ماه نشان می‌دهد. منبع شکل: Journal of Geophysical Research: Planets, Volums 121, Issue 10, pages 1865-1884, 21 Oct 2016.

شکل ۲. تصویری از میکروسکوپ الکترونی عبوری که حضور نانو ذرات آهن شکل‌گرفته در دو لایه‌ را در داخل لبه‌ی نمونه‌ی برگشتی از سطح کره‌ی ماه نشان می‌دهد.
منبع شکل: Journal of Geophysical Research: Planets, Volums 121, Issue 10, pages 1865-1884, 21 Oct 2016.

  • دوم، چه ساز‌و‌کاری باعث تشکیل نانو‌ ذرات‌ آهن در سنگ‌پوشه‌ی ماه می‌شود؟

پاسخ این پرسش مدت‌ زیادی است که ذهن پژوهشگران را به چالش کشیده است و تا به امروز مطالعه و پژوهش بر این موضوع ادامه دارد. آغاز این مطالعات در سال ۱۹۷۳ توسط هاپکه بود که ساز‌وکار تشکیل نانو ذرات ‌آهن را با تابش یون‌های هیدروژن به‌عنوان نماینده‌ی باد‌ خورشیدی بر روی نمونه‌های مشابه خاک ماه به بوته‌ی آزمایش گذاشت. نتایج حاصل از این آزمایش که نشان از تشکیل نانو ذرات‌ آهن می‌دهد، گرداننده‌ی اصلی در سازو‌کار را باد‌ خورشیدی پیشنهاد می‌کند، در حالی‌ که نقش برخورد ریز‌شهاب‌سنگ‌ها که قادر به ساخت نانو‌ ذرات ‌‌‌آهن به علت تبخیر، خردسازی، و گداخت است نادیده گرفته می‌شود. پس از هاپکه، پژوهش‌ها و آزمایش‌های فراوانی صورت گرفته تا پاسخی روشن با مشارکت هر دو گرداننده‌ی باد خورشیدی و برخورد ریز‌شهاب‌سنگ‌ها در تشکیل نانو ذرات آهن یافت شود. در نهایت، این پژوهش‌ها به نتایج آزمایش چانگ و کلر در سال‌های ۲۰۱۱ و ۲۰۱۵ منتهی می‌شود که نقش برخورد ریز‌شهاب‌سنگ‌ها در پیدایش نانو ذرات آهن را در سنگ‌پوشه‌ی ماه بسیار پررنگ‌تر از فرآیندهای وابسته به باد خورشیدی ارزیابی کرده‌اند.

۲- فرسایش‌ فضایی سیارک‌های نزدیک به زمین

شکل ۳. تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی زمینه‌تاریک(۴) که از یک دانه‌ی برگشتی سیارک ایتوکاوا گرفته شده است. در این تصویر مرز دانه و محدوده‌ی مورد مطالعه بر روی دانه با خط‌چین مشخص شده است. منبع: T. Noguchi et al. Science 2011;333:1121-1125

شکل ۳. تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی زمینه‌تاریک(۴) که از یک دانه‌ی برگشتی سیارک ایتوکاوا گرفته شده است. در این تصویر مرز دانه و محدوده‌ی مورد مطالعه بر روی دانه با خط‌چین مشخص شده است. منبع: T. Noguchi et al. Science 2011;333:1121-1125

از آنجایی که سیارک‌های نزدیک به زمین مانند کره‌ی ‌ماه در فاصله‌ی یک واحد‌ نجومی از خورشید هستند و شرایط یکسان محیطی را تجربه می‌کنند، انتظار می‌رود که یک سیارک نزدیک به زمین نیز شاهد فرسایش‌ فضایی مشابه کره‌‌ی ماه باشد. اگر‌ چه چندین عامل مختلف هم‌چون خواص و ساختار ماده‌ی تشکیل‌دهنده سیارک به‌علاوه‌ی جرم و گرانش کم آن را نباید فراموش کرد.

تا به امروز دو سیارک نزدیک به زمین توسط فضاپیماها ملاقات شده‌اند. این سیارک‌ها، سیارک اِروس با قطر متوسط ۱۶ کیلومتر و سیارک ایتوکاوا با قطر متوسط ۳۲۴ مترند که هر دو از گروه سیارک‌های نوع S (سیارک‌های سنگی) هستند. در‌حالی‌که تمام نتایج به‌دست‌آمده از پژوهش‌های سنجش از راه دور نشان می‌دهد که نوع فرسایش فضایی بر روی سیارک اِروس متفاوت از فرسایش فضایی وابسته به ماه است، مطالعه‌ی نمونه‌های برگشتی از سیارک ایتوکاوا دربرگیرنده‌ی اطلاعات منحصربه‌فردی در رابطه با تشابه فرسایش‌ بر روی سطح سیارک ایتوکاوا و کره‌‌ی ماه است.

در ۵ از ۱۰ دانه‌‌ی بازگشتی از ایتوکاوا، موادی با اندازه‌ای در حد نانو شناسایی شده که به‌ صورت لایه‌ای نازک با ضخامت ۵ـ۱۵ نانومتر در لبه تشکیل شده‌ است و این دانه‌ها علاوه بر آهن دارای ترکیب سولفور نیز هستند. هم‌چنین در عمق ۶۰ نانومتری داخل دانه‌ها از طریق تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی(۳)، نانو ذرات غنی از آهن و بدون سولفور دیده شده‌اند (شکل ۳ و ۴).  

با درنظرگرفتن یافته‌ها و داده‌های محدود از این دو سیارک‌ نزدیک به زمین که هر دو نیز عضو یک کلاس سیارکی می‌باشند، بدیهی است قادر به جمع‌بندی نوع و فرآیند فرسایش‌ فضایی برای این دسته سیارک‌ها نیستیم. در واقع، نتایج این پژوهش‌ها با ماموریت‌های فضایی آینده به نام‌های هایابوسای ۲ (متعلق به سازمان فضایی ژاپن) و اوسیریس‌‌رکس (متعلق به ناسا)، که برای نمونه‌برداری از دو سیارک نزدیک به زمین نوع C (سیارک‌های کربنی)  طراحی شده‌اند، تکمیل خواهند شد.

۲- فرسایش فضایی سیارک‌های کمربند اصلی

میزان و نوع داده‌های موجود از سطح سیارک‌های کمربند اصلی هر چند استثنایی و محتوی اطلاعات بی‌شماری هستند، اما دارای مشخصات و کیفیت متفاوت از یکدیگرند که در روند مقایسه و جمع‌بندی می‌بایست در نظر گرفته شود.

شکل ۴. تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی زمینه‌تاریک که از یک دانه‌ی برگشتی سیارک ایتوکاوا گرفته شده است. لبه‌ی دانه‌ی برگشتی از سطح سیارک ایتوکاوا با بزرگنمایی نشان داده شده است که نانو ذرات آهن به صورت نقاط روشن در آن ظاهر شده‌اند. خط‌چین‌ها، ناحیه‌های مختلف در لبه را براساس بافت متفاوت آن‌ها جدا کرده‌اند. منبع: T. Noguchi et al. Science 2011;333:1121-1125

شکل ۴. تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی زمینه‌تاریک که از یک دانه‌ی برگشتی سیارک ایتوکاوا گرفته شده است. لبه‌ی دانه‌ی برگشتی از سطح سیارک ایتوکاوا با بزرگنمایی نشان داده شده است که نانو ذرات آهن به صورت نقاط روشن در آن ظاهر شده‌اند. خط‌چین‌ها، ناحیه‌های مختلف در لبه را براساس بافت متفاوت آن‌ها جدا کرده‌اند.
منبع: T. Noguchi et al. Science 2011;333:1121-1125

نخستین سیارک‌های کمربند اصلی که با فضاپیما عکس‌برداری‌ شده‌اند، سیارک‌های گاسپرا و ایدا هستند. هر دو این سیارک‌ها مشابه سیارک اِروس از خانواده‌ی سیارک‌های سنگی (نوع S) هستند. براساس طیف‌های جمع‌‌آوری‌شده از نواحی مختلف این دو سیارک (شامل دهانه‌ها)، نوع فرسایش فضایی بر این دو سیارک را مشابه فرسایش فضایی وابسته به ماه ارزیابی کرده‌اند. هرچند این تشابه در مورد سیارک گاسپرا ضعیف‌تر است.

از دیگر سیارک‌های کمربند اصلی، سیارک وستا عضو اصلی خانواده سیارک‌های نوع V (سیارک‌های سنگی بازالتی) است که علاوه بر داده‌های طیف‌‌سنجی بسیاری که از رصدخانه‌های زمینی از این سیارک در دسترس است، در سال‌های اخیر تصاویر رنگی و طیف‌هایی با جزییات بالا از سطح این سیارک را فضاپیمای سپیده‌دم ارسال کرده که تاییدی است بر این‌که سیارک وستا از مجموع سه گروه شهاب‌سنگ‌ به نام‌های Howardites-Eucrites-Diogenites، معروف به شهاب‌سنگ HED تشکیل شده ‌است. در واقع رابطه‌ی مستقیم طیف شهاب‌سنگ HED با طیف‌های به‌دست‌آمده از سیارک وستا دلالت بر فقدان فرسایش فضایی بر روی سطح این سیارک دارد.

محققان با پژوهش‌های دقیق‌تر بر روی داده‌های سنجش از راه دور فضاپیمای سپیده‌دم، به مسئله‌ی فقدان فرسایش فضایی بر روی سیارک وستا که بدون‌ شک در معرض عوامل فعال محیطی است، پاسخ داده‌اند. این پژوهش‌ها که در دو رویه‌ی مستقل از هم انجام گرفتند، وجود مواد بسیار تاریک سرشار از H و OH را بر روی سطح وستا به مقدار کم اما متمایز آشکار ساخته‌اند. پژوهشگران منشاء این مواد را تاکنون برخوردهای کم‌سرعت شهاب‌سنگ‌هایی از جنس کندرایت‌های تاریک غنی از آب، تفسیر کرده‌اند. قابل ذکر است که مطالعات دقیق کانی‌شناسی که با استفاده از تصاویر رنگی فضاپیمای سپیده‌دم انجام گرفت، موفق به شناسایی تغییرات طیفی مرتبط به نانو ذرات آهن نشد که محتمل‌ترین دلیل آن می تواند خاصیت مواد تشکیل‌دهنده‌ی سیارک باشد.

بنابراین، برداشت کلی از نوع فرسایش فضایی بر روی سیارک وستا به این صورت است که احتمال فرسایش فضایی وابسته به ماه بر روی وستا صفر است. در واقع عامل اصلی فرسایش سطح سیارک وستا، مواد تاریک ایجادشده از برخورد شهاب‌سنگ‌ها و ریزشهاب‌سنگ‌ها است که با سنگ‌پوشه‌های وستا مخلوط شده‌اند.

نویسندگان در این مقاله اشاره‌ای به پژوهش‌های انجام گرفته بر روی دیگر سیارک‌های عکس‌برداری‌شده از طریق فضاپیما هم‌چون سیارک های ماتلیده، لوتشیا و اشتاین نکرده‌اند. برای مطالعه‌ی بخش‌های مرتبط با فرسایش فضایی بر روی عطارد، قمرهای مریخ، و سیاره‌ی کوتوله‌ی سرس به مقاله‌ی اصلی رجوع کنید.

(۱) Sputtering
(۲) Regolith
(۳) Scanning transmission electron microscope
(۴) High-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope

عنوان اصلی مقاله: Space weathering on airless bodies
نویسندگان:. Carle M. Pieters and Sarah K. Noble
این مقاله در نشریه‌ی Journal of Geophysical Research: Planets چاپ شده است.
لینک مقاله‌ی اصلی: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JE005128/full
گردآوری: نفیسه معصوم‌زاده

دسته‌ها: مقالات روز
برچسب‌ها: سیاره, منظومه‌ شمسی

درباره نویسنده

نفیسه معصوم‌زاده

پژوهشگر پسادکترا در زمینه‌ی فیزیک سیاره‌ای (و به‌ طور خاص سنجش از راه دور سیارات) و عضو گروه سیستم اوسریس (دوربین فضا پیمای رُزتا) است . او دانش‌آموخته‌ی فیزیک از دانشگاه اصفهان (کارشناسی)، اخترفیزیک از دانشگاه تبریز (کارشناسی ارشد)، و اخترفیزیک از دانشگاه گوتینگن ِآلمان (دکترا) است. او در طول دوره‌ی دکترا و قسمتی از دوره‌ی پسادکترایش در «مؤسسه‌ی ماکس پلانک برای تحقیقات منظومه‌ی خورشیدی» با استفاده از داده‌های اپتیکی سیستم اوسریس از سیارک‌های اِشتاین، لوتشیا و هم‌چنین هسته‌ی دنباله‌دار چوریوموف‌ـ‌گراسیمنکو (۶۷‌‌پی) به مطالعه‌ی فوتومتریکی و طیفی از سطح این اجرام پرداخته است.

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*