La polvere sulla Luna
RISPOSTE ALLE DOMANDE DI AMERICAN MOON
Nello stesso documento citato[1], a pag. 3 leggiamo:
Daylight side: Solar UV, X-rays --> +Q on surface (photoelectric effect)
ovvero: sulla superficie lunare esposta al sole si accumula una carica positiva. Questo è esattamente l’opposto dell’affermazione citata nel film. Quindi il documento si contraddice? No affatto. Più semplicemente, la citazione nel film è stata decontestualizzata e travisata. Ma andiamo con ordine.
Sulla Luna, una qualsiasi superficie esposta al sole viene colpita dal vento solare (composto da elettroni e protoni) e da varie radiazioni elettromagnetiche, fra cui i raggi UV. Il vento solare tende a far acquisire una carica negativa, mentre i raggi UV, grazie all’effetto fotoelettrico, tendono all’opposto. Se il sole illumina la superficie in modo radente, si ha solo una riduzione della carica negativa accumulata dal vento solare. Se invece la superficie è illuminata in pieno, l’effetto fotoelettrico diventa predominante sul vento solare: ecco spiegato perché la superficie lunare esposta al sole acquisisce una carica positiva netta.
Consideriamo ad esempio la tipica situazione dell’astronauta che cammina sulla superficie lunare. Quando il sole è basso, come durante buona parte delle attività extraveicolari Apollo, l’effetto fotoelettrico è debole sulla superficie e forte sulla tuta dell’astronauta, per cui la superficie acquista una carica negativa e la tuta una carica positiva sul lato illuminato. È quindi molto probabile che, scalciando e sollevando la polvere, le particelle più piccole e leggere possano essere attirate dalla carica opposta della tuta. Quando il sole è alto si verifica l’effetto contrario. Lo stesso vale anche per il rover e per le lenti degli obiettivi: il fatto che siano materiali completamente diversi non li rende immuni dal vento solare e dall’effetto fotoelettrico.
Una volta che il granello di polvere è stato attirato su una superficie, può rimanere attaccato per diversi motivi. Essendo la regolite un materiale estremamente isolante, la particella può acquisire una carica positiva sul lato esposto al sole mantenendo contemporaneamente la carica negativa, e quindi la forza attrattiva, sul lato a contatto con la superficie. Nel punto di contatto, poi, entra in gioco la forza di van der Waals, una forza attrattiva che agisce su distanze brevissime ed è indipendente dalla carica elettrostatica. Inoltre i granelli di polvere lunare, tipicamente ruvidi e spigolosi, possono incastrarsi facilmente tra le fibre della tuta spaziale.
Ma allora, a cosa si riferisce il documento quando parla di dissipazione quasi istantanea della carica? Basta leggere il titolo della slide: Triboelectric Effect. L’effetto triboelettrico, per intenderci, è quello che permette alla penna strofinata sul maglione di attrarre i pezzetti di carta: è un accumulo di carica dovuto allo sfregamento. Quando l’astronauta cammina, l’attrito degli stivali con la superficie lunare provoca l’accumulo di una carica aggiuntiva a quella che gli stivali avevano a riposo, in equilibrio con l’ambiente. È solo questa carica aggiuntiva che, secondo la teoria, viene dissipata quasi istantaneamente dal vento solare, ritornando alla carica di equilibrio. Nello studio che presenta per la prima volta questa teoria[2] viene infatti chiarito che l’effetto triboelettrico è rappresentato da un potenziale “relativo al plasma nell’ambiente”. Inoltre, il problema a cui la teoria cerca di dare una risposta non è l’adesione della polvere, che non viene proprio citata nello studio, ma il rischio di scariche elettriche dovute a un eccessivo accumulo di carica. Ed è proprio a questo rischio che si riferisce l’affermazione: “l’accumulo di cariche durante il giorno è un problema che non si pone”.
La risposta ad entrambe
le domande è la presenza di una grande forza di coesione fra i granelli
di regolite. Sulla Terra i granelli di sabbia sono arrotondati dagli
agenti atmosferici, mentre sulla Luna, in assenza di atmosfera, si
mantengono spigolosi e si incastrano fra di loro molto più facilmente.
Inoltre, in presenza di atmosfera, le superfici sono ricoperte da un
sottile strato d’acqua e di sostanze organiche. Sulla Luna il vuoto,
l’assenza di umidità e l’azione continua del vento solare rendono i
granelli estremamente “puliti”, cioè privi di contaminanti. Per questo,
le forze di van der Waals che tengono uniti i granelli sono centinaia di
volte maggiori che sulla Terra[3].
Questi due fattori, uniti al fatto che la dimensione media delle
particelle di regolite la rende più simile al talco che alla sabbia,
possono dare l’impressione del fango.
Il fatto che la polvere lunare conservi la forma dei numeri dopo essere scivolata sulla piastra metallica, indica che la forza di coesione tra i granelli è maggiore della forza di adesione tra la polvere e la piastra. Questo può essere dovuto al fatto che le piastre dell’esperimento TDS, provenienti dall’atmosfera terrestre, erano ricoperte da uno strato di contaminanti che l’esposizione di pochi minuti all’ambiente lunare non è stata in grado di eliminare, e che ha di conseguenza ridotto l’efficacia delle forze di van der Waals.
Perché non è vero che il simulante di regolite e la camera a vuoto
replicano le condizioni lunari, al massimo vi si avvicinano. È noto che
non esiste un simulante che riesca a replicare contemporaneamente tutte
le caratteristiche della regolite[4].
In più, è molto probabile che il simulante, esposto all’aria, abbia
assorbito dei contaminanti che non sono evaporati nel vuoto imperfetto
della camera: da qui la coesione meno evidente rispetto alla regolite
lunare.
BONUS: Risposte alle affermazioni di American Moon
APPROFONDIMENTO: L’ambiente elettrostatico lunare
Il vento solare è un flusso di particelle costituite in pari misura da cariche positive (ioni, per lo più protoni) e negative (elettroni). Gli elettroni, agitati dalla loro altissima temperatura, si muovono in tutte le direzioni molto più velocemente dei protoni, perché hanno una massa molto più piccola. Questo significa che, rispetto ai protoni, gli elettroni entrano molto più facilmente in collisione con una superficie esposta al vento solare, la quale accumula così una carica negativa. All’aumentare della carica, gli elettroni vengono sempre più respinti e i protoni sempre più attratti. Quando viene raggiunto un equilibrio fra elettroni e protoni assorbiti, l’accumulo di carica si ferma.
Una superficie esposta al sole viene bombardata anche da varie radiazioni elettromagnetiche: luce, infrarossi, raggi UV, raggi X. In particolare, i raggi UV provocano l’emissione di elettroni per il cosiddetto effetto fotoelettrico. Se il sole illumina la superficie in modo radente, si ha solo una riduzione della carica negativa accumulata dal vento solare. Se invece la superficie è illuminata in pieno, l’effetto fotoelettrico diventa così forte da strappare alla superficie più elettroni di quelli che riesce a catturare. In questo caso la superficie acquista una carica netta positiva, accumulandola finché le correnti entranti e uscenti non raggiungono un equilibrio.
Le zone in ombra non vengono raggiunte dai raggi UV e dai protoni, che vengono schermati. Gli elettroni invece, muovendosi liberamente in una sorta di nube, riescono a raggiungere le aree in ombra, caricandole negativamente. La polvere lunare, essendo un materiale scarsamente conduttore, mantiene localmente la propria carica elettrostatica. È dunque possibile avere contemporaneamente polvere positiva al sole e polvere negativa all’ombra. Uno stesso granello di polvere può mantenere una carica positiva da un lato e una negativa dall’altro.[3][7]
- Premessa - Da questo documento che studia le cariche elettrostatiche sulla superficie lunare leggiamo: “Sulla superficie lunare esposta al sole, dove l’effetto fotoelettrico è predominante, le cariche elettrostatiche si dissipano quasi istantaneamente in tutti i casi. Per questo motivo l’accumulo di cariche elettrostatiche durante il giorno lunare è un problema che non si pone”.
- Domanda #17 - Visto che sulla luna non esiste umidità, e che il vento solare dissipa quasi istantaneamente eventuali cariche elettrostatiche, sai spiegare perchè la polvere rimane costantemente attaccata ad ogni tipo di materiale, dalle tute degli astronauti alle macchine fotografiche, dalle superfici del rover al vetro degli obiettivi delle telecamere?
Daylight side: Solar UV, X-rays --> +Q on surface (photoelectric effect)
ovvero: sulla superficie lunare esposta al sole si accumula una carica positiva. Questo è esattamente l’opposto dell’affermazione citata nel film. Quindi il documento si contraddice? No affatto. Più semplicemente, la citazione nel film è stata decontestualizzata e travisata. Ma andiamo con ordine.
Sulla Luna, una qualsiasi superficie esposta al sole viene colpita dal vento solare (composto da elettroni e protoni) e da varie radiazioni elettromagnetiche, fra cui i raggi UV. Il vento solare tende a far acquisire una carica negativa, mentre i raggi UV, grazie all’effetto fotoelettrico, tendono all’opposto. Se il sole illumina la superficie in modo radente, si ha solo una riduzione della carica negativa accumulata dal vento solare. Se invece la superficie è illuminata in pieno, l’effetto fotoelettrico diventa predominante sul vento solare: ecco spiegato perché la superficie lunare esposta al sole acquisisce una carica positiva netta.
Consideriamo ad esempio la tipica situazione dell’astronauta che cammina sulla superficie lunare. Quando il sole è basso, come durante buona parte delle attività extraveicolari Apollo, l’effetto fotoelettrico è debole sulla superficie e forte sulla tuta dell’astronauta, per cui la superficie acquista una carica negativa e la tuta una carica positiva sul lato illuminato. È quindi molto probabile che, scalciando e sollevando la polvere, le particelle più piccole e leggere possano essere attirate dalla carica opposta della tuta. Quando il sole è alto si verifica l’effetto contrario. Lo stesso vale anche per il rover e per le lenti degli obiettivi: il fatto che siano materiali completamente diversi non li rende immuni dal vento solare e dall’effetto fotoelettrico.
Una volta che il granello di polvere è stato attirato su una superficie, può rimanere attaccato per diversi motivi. Essendo la regolite un materiale estremamente isolante, la particella può acquisire una carica positiva sul lato esposto al sole mantenendo contemporaneamente la carica negativa, e quindi la forza attrattiva, sul lato a contatto con la superficie. Nel punto di contatto, poi, entra in gioco la forza di van der Waals, una forza attrattiva che agisce su distanze brevissime ed è indipendente dalla carica elettrostatica. Inoltre i granelli di polvere lunare, tipicamente ruvidi e spigolosi, possono incastrarsi facilmente tra le fibre della tuta spaziale.
Ma allora, a cosa si riferisce il documento quando parla di dissipazione quasi istantanea della carica? Basta leggere il titolo della slide: Triboelectric Effect. L’effetto triboelettrico, per intenderci, è quello che permette alla penna strofinata sul maglione di attrarre i pezzetti di carta: è un accumulo di carica dovuto allo sfregamento. Quando l’astronauta cammina, l’attrito degli stivali con la superficie lunare provoca l’accumulo di una carica aggiuntiva a quella che gli stivali avevano a riposo, in equilibrio con l’ambiente. È solo questa carica aggiuntiva che, secondo la teoria, viene dissipata quasi istantaneamente dal vento solare, ritornando alla carica di equilibrio. Nello studio che presenta per la prima volta questa teoria[2] viene infatti chiarito che l’effetto triboelettrico è rappresentato da un potenziale “relativo al plasma nell’ambiente”. Inoltre, il problema a cui la teoria cerca di dare una risposta non è l’adesione della polvere, che non viene proprio citata nello studio, ma il rischio di scariche elettriche dovute a un eccessivo accumulo di carica. Ed è proprio a questo rischio che si riferisce l’affermazione: “l’accumulo di cariche durante il giorno è un problema che non si pone”.
- Domanda #18 - Sai spiegare come si possano formare sulle ruote del rover degli strati come questi, che sembrano decisamente fango?
- Domanda #19 - Sai spiegare come faccia la polvere lunare a restare così compatta, conservando addirittura la forma dei numeri dopo che è stata rimossa dalla sede in cui si era formata?
Il fatto che la polvere lunare conservi la forma dei numeri dopo essere scivolata sulla piastra metallica, indica che la forza di coesione tra i granelli è maggiore della forza di adesione tra la polvere e la piastra. Questo può essere dovuto al fatto che le piastre dell’esperimento TDS, provenienti dall’atmosfera terrestre, erano ricoperte da uno strato di contaminanti che l’esposizione di pochi minuti all’ambiente lunare non è stata in grado di eliminare, e che ha di conseguenza ridotto l’efficacia delle forze di van der Waals.
- Domanda #20 - Visto che i Mytbusters hanno replicato le condizioni lunari con il simulante di regolite in una camera a vuoto, sai spiegare perchè non sono riusciti a replicare le stesse impronte lasciate dagli astronauti nelle foto originali?
BONUS: Risposte alle affermazioni di American Moon
- Sulla terra la polvere rimane attaccata agli oggetti grazie all’umidità dell’aria. Sulla luna, però, non c’è atmosfera e questo significa che non esiste umidità. Teoricamente, quindi, la polvere lunare non dovrebbe riuscire ad attaccarsi a nessuna superficie particolare.
APPROFONDIMENTO: L’ambiente elettrostatico lunare
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| Flussi di particelle nell’ambiente lunare[6] |
Il vento solare è un flusso di particelle costituite in pari misura da cariche positive (ioni, per lo più protoni) e negative (elettroni). Gli elettroni, agitati dalla loro altissima temperatura, si muovono in tutte le direzioni molto più velocemente dei protoni, perché hanno una massa molto più piccola. Questo significa che, rispetto ai protoni, gli elettroni entrano molto più facilmente in collisione con una superficie esposta al vento solare, la quale accumula così una carica negativa. All’aumentare della carica, gli elettroni vengono sempre più respinti e i protoni sempre più attratti. Quando viene raggiunto un equilibrio fra elettroni e protoni assorbiti, l’accumulo di carica si ferma.
Una superficie esposta al sole viene bombardata anche da varie radiazioni elettromagnetiche: luce, infrarossi, raggi UV, raggi X. In particolare, i raggi UV provocano l’emissione di elettroni per il cosiddetto effetto fotoelettrico. Se il sole illumina la superficie in modo radente, si ha solo una riduzione della carica negativa accumulata dal vento solare. Se invece la superficie è illuminata in pieno, l’effetto fotoelettrico diventa così forte da strappare alla superficie più elettroni di quelli che riesce a catturare. In questo caso la superficie acquista una carica netta positiva, accumulandola finché le correnti entranti e uscenti non raggiungono un equilibrio.
Le zone in ombra non vengono raggiunte dai raggi UV e dai protoni, che vengono schermati. Gli elettroni invece, muovendosi liberamente in una sorta di nube, riescono a raggiungere le aree in ombra, caricandole negativamente. La polvere lunare, essendo un materiale scarsamente conduttore, mantiene localmente la propria carica elettrostatica. È dunque possibile avere contemporaneamente polvere positiva al sole e polvere negativa all’ombra. Uno stesso granello di polvere può mantenere una carica positiva da un lato e una negativa dall’altro.[3][7]
- C.I. Calle, The Electrostatic Environments of the Moon and Mars: Implications for Human Missions, 2016
- W.M. Farrell et al., Concerning the dissipation of electrically charged objects in the shadowed lunar polar regions, 2008
- O.R. Walton, Adhesion of Lunar Dust, 2007
- Taylor et al., Evaluations of lunar regolith simulants, 2016
- A.A. Busnaina & T. Elsawy, The Effect of Relative Humidity on Particle Adhesion and Removal, 1999
- T.J. Stubbs et al., Lunar Surface Charging: A Global Perspective Using Lunar Prospector Data, 2007
- J.E. Colwell et al., Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics, 2007
Ma se la polvere fosse caricata elettrostaticamente al punto di restare compatta sulle orme degli scarponi ecc., Non dovrebbe neanche sollevarsi da terra così facilmente, e restare sottoforma di grumi e non di polvere separata.
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