Planeterna och månarna i vårt solsystem bombarderas kontinuerligt av partiklar som slungas bort från solen. På jorden har detta knappast någon effekt, förutom det fascinerande norrskenet, eftersom den täta atmosfären och jordens magnetfält skyddar oss från dessa solvindspartiklar. Men på månen eller på kvicksilver är saker annorlunda:där, det översta bergskiktet eroderas gradvis av solpartiklarnas inverkan.

Nya resultat från TU Wien visar nu att tidigare modeller av denna process är ofullständiga. Effekterna av solvindens bombardemang är i vissa fall mycket mer drastiska än man tidigare trott. Dessa fynd är viktiga för ESA-uppdraget BepiColombo, Europas första kvicksilveruppdrag. Resultaten har nu publicerats i tidskriften planetology Ikaros .

En exosfär av krossad sten

"Solvinden består av laddade partiklar - främst väte- och heliumjoner, men tyngre atomer upp till järn spelar också en roll, " förklarar Prof. Friedrich Aumayr från Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien. Dessa partiklar träffar stenarna på ytan med en hastighet av 400 till 800 km per sekund och stöten kan stöta ut många andra atomer. Dessa partiklar kan stiga högt innan de faller tillbaka till ytan, skapa en "exosfär" runt månen eller Merkurius - en extremt tunn atmosfär av atomer som sprängs från ytans stenar av solvindsbombardement.

Denna exosfär är av stort intresse för rymdforskning eftersom dess sammansättning gör det möjligt för forskare att härleda den kemiska sammansättningen av bergytan – och det är mycket lättare att analysera exosfären än att landa en rymdfarkost på ytan. I oktober 2018, ESA kommer att skicka BepiColombo-sonden till Mercury, som är att få information om Merkurius geologiska och kemiska egenskaper från exosfärens sammansättning.

Avgiften spelar roll

Dock, detta kräver en exakt förståelse av solvindens effekter på bergytorna, och det är just där avgörande kunskapsluckor fortfarande finns. Därför, TU Wien undersökte effekten av jonbombardement på wollastonit, en typisk månsten. "Hittills har det antagits att den kinetiska energin hos de snabba partiklarna är primärt ansvarig för atomisering av bergytan, säger Paul Szabo, Ph.D. student i Friedrich Aumayrs team och första författare till den aktuella publikationen. "Men detta är bara halva sanningen:vi kunde visa att partiklarnas höga elektriska laddning spelar en avgörande roll. Det är anledningen till att partiklarna på ytan kan göra mycket mer skada än man tidigare trott."

När solvindens partiklar multipliceras, dvs. när de saknar flera elektroner, de bär på en stor mängd energi som frigörs i en blixt vid kollisionen. "Om detta inte beaktas, effekterna av solvinden på olika stenar är felbedömda, säger Paul Szabo. Därför, det är inte möjligt att dra exakta slutsatser om ytbergarterna med en felaktig modell från exosfärens sammansättning.

Protoner utgör den överlägset största delen av solvinden, och så trodde man tidigare att de hade det starkaste inflytandet på berget. Men som det visar sig, helium spelar faktiskt huvudrollen eftersom, till skillnad från protoner, den kan laddas dubbelt så positivt. Och bidraget från tyngre joner med ännu större elektrisk laddning får inte heller försummas.

Ett samarbete mellan olika forskargrupper var nödvändigt för dessa fynd:Högprecisionsmätningar utfördes med en speciellt utvecklad mikrovåg vid Institutet för tillämpad fysik. Vid Vienna Scientific Cluster VSC-3 genomfördes komplexa datorsimuleringar med koder utvecklade för kärnfusionsforskning för att kunna tolka resultaten korrekt. Analytical Instrumentation Center och Institute for Chemical Technologies and Analytics från TU Wien gjorde också viktiga bidrag.