WPROWADZENIE
LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) jest przygotowywaną amerykańską (NASA) sondą księżycową przeznaczoną do wykonania szczegółowych badań atmosfery i otoczenia pyłowego Księżyca. Do podstawowych celów naukowych misji zaliczają się: precyzyjnie określenie składu chemicznego atmosfery Księżyca i zbadanie procesów odpowiedzialnych za jej rozkład przestrzenny i zmienność (źródła gazów, procesy usuwające gaz i oddziaływania z powierzchnią); oraz scharakteryzowanie środowiska pyłowego w egzosferze Księżyca, w tym zmierzenie jego zmienność czasowej i przestrzennej oraz wpływu na atmosferę gazową. Pojazd dostarczy globalnych pomiarów gęstości i składu chemicznego komponentu gazowego egzosfery Księżyca. Wykona też pomiary zagęszczenia, wielkości ziaren i ładunku elektrycznego pyłu występującego wokół Księżyca. Misja pozwoli też na scharakteryzowanie zmian mierzonych parametrów zachodzących w czasie. Cele te nie znajdują się w programie żadnej innej misji NASA lub innych agencji kosmicznych. Pomiary gazu i pyłu będą prowadzone jednocześnie z pomiarami zjawisk plazmowych wykonywanych przez sondy misji ARTEMIS (Acceleration, Reconnection and Turbulence, and Electrodynamic of Moon's Interaction with the Sun). Bezpośrednie skorelowanie tych różnych rodzajów informacji znacznie zwiększy wartość naukową obu misji. Uzupełniające pomiary wykona też instrument LAMP (Lyman-Alpha Mapping Project) na orbiterze LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter).
Badania wykonane w trakcie misji dostarczą informacji na temat pochodzenia i ewolucji substancji lotnych na Księżycu. Dostarczą tym samym wiedzy na temat fundamentalnych procesów zachodzących w typowej rozrzedzonej egzosferze związanej z powierzchnią (Surface Boundary Exosphere - SBE). Została ona znaleziona wokół takich obiektów jak Merkury, Io i Europa. Może występować też wokół dużych planetoid i obiektów Pasa Kuipera, będąc najpowszechniej występującym typem atmosfery w Układzie Słonecznym. Księżyc jest dobrym celem do badań SBE, ponieważ istniejące próbki i dane teledetekcyjne pozwalają na ścisłe określenie właściwości zewnętrznej warstwy jego powierzchni. Wokół Księżyca występuje też szeroka gama dobrze scharakteryzowanych parametrów środowiskowych, co pozwoli na przetestowanie wykluczających się modeli opisujących zjawiska zachodzące w egzosferze. Zebrane dane mogą mieć też pewne znaczenie podczas planowania misji bezzałogowych i załogowych w przyszłości, zwłaszcza w projektowaniu instrumentów astronomicznych przeznaczonych do umieszczenia na Księżycu.
Gazowa atmosfera Księżyca występuje do wysokości około 50 km. Jest najgęstsza podczas wschodu Słońca w obszarze równikowym. Jest wytwarzana przez regolit, chociaż pewnymi pomniejszymi jej źródłami jest też plazma wiatru słonecznego oraz pył międzyplanetarny. Za uwalnianie substancji lotnych z regolitu odpowiedzialne są takie procesy jak odparowywanie podczas impaktów, indukowany przez fotony UV rozpad minerałów, oddziaływania z plazmą wiatru słonecznego i magnetosfery Ziemi, reakcje chemiczne, działanie zmian temperatur i w pewnym stopniu procesy wewnętrzne. Procesami odpowiedzialnymi za utratę atmosfery są: ucieczka z pola grawitacyjnego, fotojonizacja, reakcje chemiczne, oraz zamrożenie w zimnych obszarach zacienionych. Cząsteczki i atomy związane z Księżycem grawitacyjne znajdują się na trajektoriach balistycznych dopóki nie uciekną z jego pola grawitacyjnego lub nie zostaną przechwycone przez powierzchnię. Dynamika tych procesów jest ściśle zależna od rodzaju rozpatrywanej substancji oraz od czynników zewnętrznych, takich jak częstość zderzeń z meteoroidami, właściwości plazmy w otoczeniu i oświetlenie słoneczne. Obserwacje wykonane podczas misji Apollo oraz przez obserwatoria naziemne pozwoliły jak dotąd na zidentyfikowanie tylko kilku pierwiastków w egzosferze Księżyca - He, K, Na, Ar i Rb. Gęstość tych gazów jest znacznie niższa niż całkowite ciśnienie gazu zmierzone na powierzchni w czasie misji Apollo, tak więc większa część egzosfery pozostaje niezbadana. Jeśli nawet tylko część składu egzosfery jest odbiciem składu regolitu należy spodziewać się znalezienia wielu innych pierwiastków. LADEE umożliwi zidentyfikowanie nowych pierwiastków oraz potwierdzenie wcześniejszych detekcji. Wykona też badania ich rozkładu przestrzennego i zmian czasie, co pozwoli na określenie ich źródeł i sposobu zaniku. Dla pierwiastków których nie uda się wykryć nałożone zostaną górne granice gęstości. Poszukiwanymi substancjami będą Ar, He, H/H2, OH, CH4, CO, CO2, Na, K, Si, Al i Fe.
Rozkład przestrzenny i zmienność czasowa wykrytych do tej pory substancji została dość dobrze scharakteryzowana na podstawie bezpośrednich pomiarów wykonanych podczas misji Apollo oraz obserwacji teledetekcyjnych. W bezkolizyjnych warunkach nad powierzchnią atomy uwolnione z regolitu poruszają się po trajektoriach balistycznych. Następnie wracają na powierzchnię po pokonaniu dziesiątków (lub setek) kilometrów lub uciekają w przestrzeń. Niektóre substancje, np argon koncentrują się po stronie nocnej, a ich największe zagęszczenie występuje na terminatorze o świcie, gdy promieniowanie słoneczne ogrzewa regolit. Różnice w zawartości poszczególnych gazów pomiędzy dniem i nocą zostały zmierzone podczas programu Apollo, a następnie z powodzeniem modelowane. Jednak długofalowa zmienność, będąca skutkiem np. epizodycznych uwolnień gazów z wnętrza Księżyca nie jest dobrze scharakteryzowana. Czas trwania misji wynoszący 100 dni pozwali na wykonanie poszukiwań takich zjawisk.
Nowym problemem zidentyfikowanym już po wyborze misji jest zagadnienie stabilności substancji lotnych występujących na powierzchni Księżyca. Podczas misji LCROSS (Lunar Crater Observation and Sensing Spacecraft) potwierdzono wstępowanie lodu wodnego w stale zacienionych kraterach. Ponadto woda i grupa hydroksylowa zostały wykryte w regolicie przez instrument M3 (Moon Mineralogy Mapper) sondy Chandrayaan 1. odkrycie to zostało potwierdzone przez analizę danych z instrumentu HRI (High-Resolution Instrument) sondy Deep Impact/EPOXI oraz VIMS (Visible and Infrared Mapping Spectrometer) sondy Cassini. Nie jest jasne, czy woda i związane z nią substancje są stabilne w skali miliardów lat czy też istnieją zachodzące obecnie dynamiczne procesy odpowiedzialne za ich gromadzenie i utratę. Substancje lotne mogą znajdować się również w egzosferze, w związku z czym LADEE może stwierdzić lub wykluczyć zachodzenie dynamicznych procesów związanych z pokładami wody w strefach polarnych. Wykrycie H2O i/lub OH będzie dowodowemu na regularne chwytanie i uwalnianie tych cząsteczek przez powierzchnię, z możliwą permanentną pułapką w obszarach stale zacienionych. Pomiary zmian ich zawartości w funkcji parametrów środowiska pozwolą na wytypowanie najbardziej prawdopodobnych mechanizmów odpowiedzialnych za nich dynamikę. Pomiary prowadzone wzdłuż terminatora pozwolą na oszacoanie wkładu desorpcji termicznej do całości tych procesów. Pomiary wykonywane podczas przelotów przez wiatr słoneczny i ogon magnetosfery Ziemi pokażą na ile istotne jest bombardowanie powierzchni cząstkami plazmy. Możliwe będzie też oszacowanie wkładu zderzeń z mikrometeoroidami i prawdopodobnie większych impaktów. Jeśli dane LADEE wykażą dużą dynamikę substancji lotnych w egzosferze będzie to dowód na utratę wody z powierzchniowej warstwy regolitu. Może ona ulatywać w przestrzeń kosmiczną lub ulegać pochwyceniu w zacienionych kraterach. Wskaże to na odnawianie się zasobów wody, np na skutek przechwytywania protonów z wiatru słonecznego, reagujących następnie z tlenem w regolicie. Jeśli LADEE nie wykryje obecności wody lub OH będzie do dowód na istnienia bardziej stabilnego układu - trwałego wiązania wody np na skutek sorpcji chemicznej lub w minerałach uwodnionych.
Pył występujący wokół Księżyca prawdopodobnie przemieszcza się na skutek wyraźnych czasowych i przestrzennych różnic w potencjale elektrycznym powierzchni. Powstają one na skutek oddziaływania powierzchni z fotonami i prądami w plazmie. Wahają się od około +10V do -4 kV. Lewitacja pyłu prawie na pewno występuje na wysokości kilku metrów ponad powierzchnią, wywołując tzw efekt świecenia horyzontu (Lunar Horizon Glow - LHG) zarejestrowany przez kamery lądowników Surveyor 5, 6 i 7. Obserwacje wykonane ze statków CSM misia Apollo wskazują też na obecność pyłu na dużych wysokościach, do 100 km. Światło rozproszone na skupiskach pyłu zostało zaobserwowane nawet gołym okiem. Znajdują się one zbyt wysoko, aby ich istnienie można było wyjaśnić tylko za pomocą procesów związanych ze zderzeniami. Dlatego też proponowany jest model fontann pyłowych, w których duży potencjał elektryczny powierzchni na równiku powoduje wyrzucanie drobniejszych cząstek pyłu na duże wysokości po trajektoriach balistycznych. Misja LADEE pozwoli na zebranie informacji na temat tych procesów. Pozwoli na określeni, czy LHG jest wytwarzany tylko przez pył czy też przez egzosferę sodową. Czasowe i przestrzenne korelacje pomiędzy aktywnością w otoczeniu pyłowym a terminatorem, przejściami przez ogon magnetosfery Ziemi i zjawiskami słonecznymi pozwolą też na wykrycie konkretnych mechanizmów odpowiedzialnych za kształtowanie populacji cząstek pyłu.
Misja posiada również kilka istotnych celów inżynieryjnych: przetestowanie systemu komunikacji laserowej pozwalającego na szybki przesył danych z odległości orbity Księżyca; przetestowanie nowej konstrukcji niewielkiego i taniego statku kosmicznego do zastosowań na orbicie Ziemi i badań planetarnych; oraz zademonstrowanie zdolności rakiety Minotaur 5 do wynoszenia sond planetarnych.
Misja LADEE jest zarządzana przez Dyrekcję Misji Naukowych NASA (Science Mission Directorate). Głównym wykonawcą sondy jest Ames Research Center (AMS) w Moffett Field w stanie Kalifornia. Ośrodek ten jest odpowiedzialny również za obsługę misji oraz analizę danych. W programie bierze też udział Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda (Goddard Space Flight Center - GSFC) w Greenbelt w stanie Maryland i Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla (Marshall Space Flight Center - MSFC) w Redstone w stanie Alabana. Ośrodek GSFC jest odpowiedzialny za testy środowiskowe sondy i jej integrację z rakietą nośną. Zarządza też kompleksem White Sands (White Sands Complex - WSC) w okolicach Las Cruces w Nowym Meksyku, którego anteny pasma S posłużą do łączności. W MSFC znajduje się biuro projektu, w obrębie Biura Naukowych Programów Księżycowych (Lunar Science Program Office). Całkowity koszt misji wynosi tylko 236 mln dolarów. Koszt instrumentów naukowych wynosi 37.4 mln dolarów, koszt statku - 74.6 mln, a koszt rakiety - 63.4 mln dolarów. Pozostałe koszty obejmują zarządzanie projektem, planowanie działań podczas misji, analizę danych, wykorzystanie infrastruktury naziemnej oraz projekty edukacyjne.