Вода на Луне — теперь не только у полюсов — odnoklassniki-jl.ru

Стратосферная инфракрасная обсерватория SOFIA впервые обнаружила молекулярную воду в районе одного из кратеров на освещённой Солнцем части поверхности Луны. Это означает, что вода может быть распространена на лунной поверхности не только в холодных «ловушках», закрытых от солнечного света (в виде льда на дне крупных кратеров вблизи полюсов), как считалось раньше.

Освещённый Солнцем ободок и постоянно затенённая внутренняя часть кратера Шеклтон (глубина 4 км) возле южного полюса Луны.

Долгое время считалось, что воды на Луне нет. Это подтверждалось прежде всего анализами образцов лунного грунта, доставленных «Аполлонами». В них находили воду, но в следовых концентрациях, и многие предполагали, что это — артефакт из-за загрязнения уже после доставки образцов на Землю. Но за последние двадцать лет представления учёных изменились. Основной массив данных по структуре лунных пород сейчас — это результаты съёмки с лунных орбитальных станций, таких как Lunar Reconnaissance Orbiter NASA или индийский аппарат Chandrayaan. В основном для дистанционного зондирования и поисков воды используются радарные камеры (сантиметровые длины волн), а также ближний инфракрасный диапазон, который позволяет выявить именно молекулярные сигнатуры, в частности, понять, что речь идёт о молекулах воды, а не просто об атомах водорода и кислорода (более подробно об этом см. в статье о результатах работы станции Chandrayaan).

Присутствие воды в минералах лунного грунта в связанном виде уже было подтверждено. Также давно предполагается, что частицы водяного льда присутствуют в глубоких кратерах вблизи лунных полюсов, в которые никогда не попадает солнечный свет. Лёд в этом случае может быть как на поверхности, так и на глубине до нескольких метров, скорее всего, перемешанный с реголитом (лунным грунтом). Считалось, что благодаря низким температурам в таких местах (~40 K) ниже порога сублимации лёд просто сохраняется в течение миллиардов лет. Кратер, на дно которого периодически попадает свет Солнца, то есть не слишком глубокий кратер в средних и экваториальных лунных широтах, согласно этим представлениям, ловушкой для льда быть уже не может. Исходя из этого, например, предлагались модели для распределения льда на Луне, в которых учитывалось, насколько хорошо тот или иной участок поверхности спрятан от солнечных лучей. О таком моделировании распределения геологических запасов воды на Луне есть более подробная статья на сайте. Новые данные американо-германской стратосферной обсерватории SOFIA и лунной орбитальной станции NASA Lunar Reconnaissance Orbiter показывают, что лёд на Луне может сохраняться не обязательно «в вечной тени», а «ледяные ловушки» разных размеров, вплоть до сантиметровых, распространены гораздо шире. Результаты двух связанных исследований опубликованы в конце октября 2020 года в одном номере Nature Astronomy.

Лунный кратер Clavius в южном полушарии и поле съёмки аэрообсерватории SOFIA. C.Honniball et al., Nat Astron (2020).

Молекулярная вода обнаружена в крупном кратере Клавий (Clavius), хорошо различимом с Земли в южном полушарии Луны (статья в Nature Astronomy и пресс-релиз NASA). Предыдущие наблюдения уже установили наличие на Луне водорода в молекулярной форме, но было неясно, содержится ли он в форме воды (H2O) или в виде гидроксильных групп (OH). Эти группы, например, могут входить в состав минералов в породах — использовать такой водный «ресурс» сложнее по сравнению со свободной водой. Выявленные раньше сигналы на характерной полосе поглощения в инфракрасном диапазоне 3 мкм могут соответствовать как одному, так и второму случаю, и различить их на этой длине волны сложно. В этот раз наконец инфракрасная камера на борту обсерватории SOFIA позволила поймать сигнал на длине волны 6,1 мкм — это характерная длина волны в спектре излучения именно для молекул воды. По силе сигнала установили, что концентрация воды в этом месте составляет от 100 до 400 ppm (частей на миллион, или мкг (микрограмм) на грамм породы) — это в 100 раз меньше, чем содержание воды в Сахаре. Исследователи предполагают, что присутствие воды в таких концентрациях на освещённых участках обусловлено геологическими причинами локального характера и вряд ли будет характерным для всей лунной поверхности.

В условиях отсутствия атмосферы на Луне вода на освещённых её участках должна практически сразу улетучиваться в космос. Поэтому нужно предположить, что есть некие механизмы генерации воды в лунных породах, её высвобождения из них, или доставки воды на Луну; также должны быть механизмы, задерживающие испарение. Возможно, воду на Луну приносят микрометеориты, которые постоянно бомбардируют поверхность. Рассматривается и другой источник: солнечный ветер доставляет химические элементы, в том числе водород, на лунную поверхность, и вызывает химические реакции с кислородом в минералах лунного грунта. Это приводит к образованию гидроксильных групп (OH), и под влиянием излучения Солнца или ударной энергии метеоритов эти группы могут преобразовываться в воду. Предполагают, что значительная часть обнаруженной воды может содержаться в микропустотах между зёрнами лунного грунта или в стеклообразном веществе от плавления породы при ударе микрометеорита, и таким образом сохраняется даже под воздействием Солнца.

«Холодные ловушки» (места на Луне, защищённые от Солнца) различных масштабов, в которых может сохраняться лёд. P. Hayne et al., Nat Astron (2020).

В «парном» исследовании, опубликованном в этом же выпуске Nature Astronomy, на основе данных по распределению температур и рельефу Луны от Lunar Reconnaissance Orbiter рассматривается теоретическая модель распределения «холодных микроловушек» — постоянно затенённых участков рельефа с размерами от километров до сантиметров, в которых может сохраняться лёд. Таких участков оказалось значительно больше, чем думали раньше, и они не ограничены глубокими кратерами вблизи полюсов. По оценкам, 0,1 % поверхности Луны (около 40 тысяч кв.км) может быть занято такими микроловушками, способными удерживать лёд. Основная часть «холодных ловушек» сосредоточена в высоких широтах > 80°. С другой стороны, кратер Клавий с обнаруженными «запасами» воды расположен в гораздо более тёплом регионе на широте 60° (по земным меркам — почти как Петербург по сравнению со Шпицбергеном, только в южном полушарии).

Аэрообсерватория SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) — совместный проект NASA и немецкого Центра аэрокосмических исследований. Основной её научный инструмент — 2,5-метровый телескоп, работающий в инфракрасном диапазоне на борту реактивного самолёта Boeing 747-SP на высоте до 15 км. Из-за поглощения инфракрасного излучения в атмосфере Земли такие телескопы размещают высоко в горах или вообще выводят в космос (как инфракрасный космический телескоп Spitzer). Другое решение — обсерватория на самолёте. На такой высоте внизу остаются слои земной атмосферы, в которых содержится около 99 % всего водяного пара в воздухе, и это позволяет проводить наблюдения за космическими объектами на инфракрасных длинах волн, не заботясь об искажениях в атмосфере.

Аэрообсерватория SOFIA и кратер Clavius — инфографика NASA.

Основное назначение этой обсерватории на самолёте — наблюдение за удалёнными космическими объектами — звёздными скоплениями и целыми галактиками. Исследование Луны не входило в исходные задачи, и идея направить камеры на Луну пришла позже. Изначально было неясно, можно ли с помощью инструментов, предназначенных для звёзд, проводить наблюдения за Луной. Точное позиционирование такого телескопа обычно выполняется «по звёздам» — камера наведения использует несколько звёзд как ориентиры для определения координат. Луна — слишком яркий и крупный объект, он занимает почти всё поле зрения камеры; поэтому было неизвестно, удастся ли получить надёжные данные с привязкой к участку на Луне. Этот цикл наблюдений во время одного из полётов в августе 2018 года, таким образом, был пилотным экспериментом, но он оказался удачным и даже привёл к открытию, поэтому исследование Луны станет ещё одной целью проекта. Во время последующих полётов обсерватория SOFIA будет искать следы воды на других освещённых участках лунной поверхности и проводить замеры для разных условий и фаз Луны.

Готовящийся проект NASA VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) предполагает высадку в декабре 2022 года роботизированного ровера вблизи южного полюса Луны. Ровер будет исследовать распределение льда в лунном грунте, и проект станет первым проектом картирования природных ресурсов на небесном теле.