?

Log in

No account? Create an account

zelenyikot


Открытый космос Зеленого кота

Космос ближе, чем кажется


Previous Entry Share Next Entry
Великая тайна лунной воды
zelenyikot


Есть ли вода в лунных морях? Этот вопрос не одно десятилетие волновал ученых. Эволюция взглядов на лунную воду прошла от морей и лунных обитателей в XIX веке к полной безводности в 1960-е годы. Только в последние десятилетия наука начинает получать данные, способные помочь с ответом.

Совместно с научно-популярным порталом Nplus1.ru рассказываем о непростых поисках лунной воды.

Долгое время Луну изучали только методом прямого наблюдения с Земли. Первые оптимистичные ожидания и низкокачественные телескопы оставили «моря», «заливы», и «болота» на лунных картах. Улучшение же оптики показало Луну сухим безжизненным телом.

Космическая эра открывала новые перспективы изучения естественного спутника Земли. Луне повезло оказаться относительно близко к Земле. Она стала ареной мирного противостояния двух человеческих сверхдержав. «Лунная гонка» между СССР и США не только продвинула космические технологии, но и обеспечила прорыв в исследованиях Луны.

Правда вопросы о воде остались. В доставленном американскими астронавтами лунном грунте обнаружилось содержание до 1% воды, но ученые NASA не были готовы принять даже такой факт, противоречащий тогдашним представлениям о Луне. Американцы опасались, что влага могла попасть в образцы за время их нахождения в космическом корабле при возвращении на Землю. Добытый советский лунный грунт также показал незначительное содержание воды — около 0,1%, и эти результаты были опубликованы в 1978 году, но в те годы мировая наука не отнеслась к ним с должным вниманием. В то время считалось, что в процессе своего формирования Луна проходила этап высокого нагрева, активного вулканизма и вся вода должна была улетучиться миллиарды лет назад.



Проведенные в программе Apollo сейсмические эксперименты подтверждали гипотезы сухой Луны. Удары использованных ракетных ступеней и космических кораблей о поверхность земной соседки приводили к «звону как колокол» в недрах, который регистрировали размещенные сейсмометры. Сейсмические волны не утихали десятки минут, подтверждая модели полностью сухой Луны — вода придает пластичность недрам, из-за чего в них быстро гаснут сейсмические волны.

Новый этап поисков лунной воды начался в 90-е годы. Малый космический аппарат Clementine, запущенный к Луне американскими учеными и военными в 1994 году, провел радарный эксперимент для поиска водяного льда у лунных полюсов. Суть эксперимента состояла в облучении теневых участков полюсов радиоволнами от бортового радиокомплекса Clementine, и приеме отраженных волн 70-метровой антенной системы Дальней космической связи NASA на Земле. Изучение интенсивности и поляризации отраженных радиоволн позволили утверждать об открытии залежей льда у южного полюса в объеме около 1 кубического километра. Однако попытки воспроизведения результатов эксперимента при помощи 300-метровой антенны радиотелескопа Arecibo результатов не дали.

В дальнейшем именно полюса привлекали внимание ученых в поисках лунной воды, поэтому надо пояснить почему ищут именно там. Луна вращается вокруг Земли по орбите с наклоном около 5 градусов к плоскости эклиптики, в которой вращаются все околосолнечные планеты. Наклона вращения Луны вокруг своей оси практически нет, поэтому в некоторые глубокие полярные кратеры солнце не заглядывает никогда и там сохраняется температура поверхности -230°С. Освещенная же лунная поверхность в полуденное время может нагреваться до 150°С, то есть сохранение льда практически невозможно. Вода на поверхности Луны могла оказаться в результате извержения вулканов в составе вулканических газов или в результате падения комет или астероидов, содержащих воду. Во всех случаях испаренная вода и другие летучие газы формировали временную лунную атмосферу, которая конденсировалась в холодных полярных кратерах. Что не успело сконденсироваться улетучивалось в космос, и так могло повторяться неоднократно, т.е. залежи лунной воды и других летучих соединений могли бы рассказать о древней истории нашего спутника.



Другой механизм появления воды в приповерхностном слое Луны может быть связан с постоянной бомбардировкой частицами солнечного ветра. В основной своей массе, солнечный ветер — это поток протонов, которые и есть ядра атомов водорода. Встречаясь с атомами кислорода в грунте Луны, протоны могут формировать молекулы гидроксильной группы (OH) и воды (H2O).

Зонд NASA Lunar Prospector отправился на окололунную орбиту в 1998 году для подтверждения результатов Clementine и нес на борту новый прибор, способный обнаруживать воду — нейтронный спектрометр. Принцип его работы состоит в регистрации и измерении энергии и скорости вылетающих с лунной поверхности элементарных частиц — нейтронов. Нейтроны выбиваются тяжелыми заряженными космическими частицами из лунного грунта с глубины до 1 метра. Нейтроны замедляются атомами водорода, поэтому их скорость вылета с поверхности Луны зависит от концентрации водорода в грунте. Водород в свободной форме в грунте безатмосферного тела не задержится поэтому он должен находиться в химической связи в том числе в виде воды.

Нейтронный спектрометр Lunar Prospector определил повышение концентрации водорода в поверхности Луны у полюсов, по его данным массовая доля воды в приполярных регионах может достигать 3-4%.



Радиофизики NASA решили взять лунный реванш после неудачи с Clementine при помощи индийского зонда Chandrayaan 1, на который разместили небольшой зондирующий радар Mini-SAR. В отличие от Clementine ему не требовались наземные станции чтобы принимать отраженный сигнал, поэтому разрешающая способность и детализация изображений была намного выше. Прибор генерировал радиоволну круговой поляризации и оценивал характеристики отраженного от грунта сигнала. Mini-SAR «просвечивал» не глубже 40 см, позволяя определять разницу в структуре поверхности, и содержании в ней льда. Чтобы «взглянуть» глубже ученые уделяли внимание прежде всего молодым метеоритным кратерам, который обнажали залегающие ниже слои. Оказалось, что на радиоизображениях ярче выделяются грубые обломки породы, и столь же яркими должны быть залежи льда, смешанные с грунтом. Отличить по данным Mini-SAR кратеры с каменистой поверхностью и содержащие водяной лед не представлялось возможным, но хорошую подсказку дала разбросанная из кратера порода. Там где окрестности кратера такие же яркие, как и его внутренняя часть, там, скорее всего просто каменные обломки. Там же, где яркость внутреннего пространства полярного кратера сильно контрастирует с окружающей поверхностью, там более вероятно залегание водяного льда.



На борту Chandrayaan 1 размещался и оптический прибор — мультиспектральный сканер Moon Mineralogy Mapper. Его задачей было картографирование распространения различных минералов на поверхности Луны. С его помощью обнаружили и распространение минералов богатых гидроксилом и водой, причем, в отличие от других данных — не только в приполярных областях. Недавно опубликовали новые результаты Moon Mineralogy Mapper, которые обобщили все собранные им данные и оказалось, что в радиусе 20° от полюса обнаруживаются множество отложений водяного льда, массовая доля которых в грунте достигает 40%.



Расставить все точки над «i» должен был следующий аппарат NASA — Lunar Reconnaissance Orbiter, запущенный в 2008 году. Его оснастили «полным пакетом» разведчика воды: радаром, ультрафиолетовым спектрометром и нейтронным детектором.

Нейтронный детектор LEND спутника LRO — российской разработки и производства. Прямой потомок детектора HEND, который сумел обнаружить и картографировать залежи марсианской воды во время работы на зонде Mars Odyssey. LEND — следующее поколение нейтронных детекторов, имеет повышенную точность по сравнению с детектором Lunar Prospector и Mars Odyssey. Российский лунный прибор оснащен так называемым «коллиматором» — ограничителем, который позволяет на порядок сузить поле сканирования, а значит повысить разрешающую способность прибора, то есть увидеть мелкие географические подробности в распределении воды в верхнем метре лунной поверхности.



LRO дал возможность увидеть испарения воды над Луной, при помощи отработанного еще в программе Apollo метод ударного воздействия на Луну. Ударным средством стал разгонный блок Centaur, который доставил LRO к Луне. Дополнительно на Centaur был размещен отдельный исследовательский аппарат LCROSS, который летел сразу за разгонным блоком, и должен был проанализировать вспышку и выброс от его падения в кратере Кабеус. LCROSS сумел зарегистрировать линии водяного пара в спектре ударной вспышки, однако выброс оказался в несколько раз слабее чем ожидалось. Все попытки наблюдать вспышку с Земли, даже в самые большие телескопы, оказались неудачны. К тому же, сам Centaur содержал остатки кислород-водородного топлива, поэтому они могли внести искажения в итоговые результаты, хотя сами ученые такую ошибку исключают. По данным LCROSS, в грунте Кабеуса содержалось около 5% воды.

За несколько лет работы LEND сумел собрать данные о распределении водорода в поверхности Луны как в обычном режиме, там и через коллиматор. Привычный режим исследования, когда детектор принимает нейтроны летящие во всех сторон, показал результаты сходные с Lunar Prospector. А вот коллиматор принес сюрприз. Как оказалось, концентрация воды в грунте у лунных полюсов далеко не всегда соответствует низинам и донной части кратеров. LEND сумел определить высокое содержание водорода на приполярных возвышенностях, и, наоборот, практически полное его отсутствие в некоторых глубоких кратерах. Правда все эти колебания от «мало» к «много» проходили в пределах 1% по массе воды в грунте.



Добавил интриги еще лазерный высотомер LOLA на том же спутнике LRO. На дне одного из самых глубокий кратеров Южного полюса Луны обнаружилась поверхность с очень высокой отражающей способностью. Всё выглядит так, будто до 22% донной части кратера покрыто водяным льдом.

Таком образом, вода на лунный полюсах за 25 лет исследований из смелой догадки превратилась в многократно подтвержденный факт. Однако еще много остается вопросов без ответа. Пока сложно сказать каково происхождение этой лунной воды, каков объем запасов, и в какой форме она сохраняется в таком негостеприимном космическом теле. На эти вопросы могли бы ответить спускаемые аппараты, способные исследовать поверхность непосредственно. К сожалению, пока такие проекты откладываются. Российский спускаемый аппарат «Луна-25» не полетит раньше 2021 года, а запуск индийского Chandrayaan 2 сдвигается на 2019-й. Позже к Луне должен отправиться следующий российский спускаемый аппарат «Луна-27», оборудованный буровой установкой, которая попытается добыть грунт с глубины 1-2 метра и определить содержащиеся летучие соединения.

Смысл поиска лунной воды связывается с перспективами будущей обитаемой лунной станции, которая могла бы использовать местную воду для бытовых и технических нужд людей, в том числе для выработки ракетного топлива.

Подготовлено для Nplus1.ru, публикуется в авторской редакции.

zelenyikot

Финансово поддержать выход новых материалов можно через сервис Patreon.
Другие способы
оказать поддержку.

Чтобы не пропускать новые посты, подпишитесь на мои страницы:
в ЖЖ, Facebook, Вконтакте, Twitter.



promo zelenyikot september 5, 07:45 77
Buy for 800 tokens
Наконец-то я могу официально объявить, что в продаже появилась научно-популярная книга моего авторства об исследовании Солнечной системы автоматическими межпланетными станциями. Здесь можно найти как описание отдельных космических миссий последних лет, так и обобщенные результаты исследований…

  • 1
Это кстати ответ на вопрос откуда вода на земле.

Это один из возможных ответов, откуда вода на Земле. Но по современным данным по изотопному составу, в основном земная вода все-таки астероидного происхождения.

Любопытно узнать какой изотопный состав у воды в мантии земли на глубине 500 км :)))
Почему и как решили что изотопный состав воды с астероидов отличается от воды которой насыщены породы мантии земли.
И еще интересно происхождение тех астероидов, они межзвездные? Не из солнечной системы?

Любопытно узнать какой изотопный состав у воды в мантии земли на глубине 500 км :)))

Любопытно - спросите у геологов. Они почему-то в курсе. Что-то там втирают про породы магматического происхождения, про состав вулканических выбросов, вот это вот все. Откуда, по-вашему, известно, что она вообще там есть?

Почему и как решили что изотопный состав воды с астероидов отличается от воды которой насыщены породы мантии земли.

Потому что померили. Изотопный состав водорода в океанах нифига не совпадает ни с мантией, ни с моделями распределения изотопов в протопланетном облаке на момент формирования Земли. Зато практически точно совпадает с углистыми хондритами.

И еще интересно происхождение тех астероидов, они межзвездные? Не из солнечной системы?

Дружеский совет. Прежде чем язвить на какую-то тему, желательно в ней разобраться, иначе есть хороший шанс сесть в лужу.

Начать можно здесь. По ссылке доступна только аннотация, но гуглом легко находится полный текст.

В кометах, кстати, процент дейтерия еще выше, чем в земных океанах. В разы, а не на проценты. Кометы межзвездные? Или просто кое-кто не в курсе, что распределение изотопов водорода на разных телах Солнечной системы существенно различается?

Edited at 2018-09-11 10:00 am (UTC)

Благодарю за совет, - дружище.
Примите ответную рекомендацию не брать все слишком близко к сердцу и интерпретировать текст от вашего текущего настроения. Особенно с автоматом в руках :))))
Не было у меня замысла язвить :)
Я понял ваш посыл, надо будет посмотреть на эту тему с этого угла.
На первый взгляд, мне не понятно каким местом D/H ratio можно привязать к происхождению воды.
Разумеется оно должно отличаться в различных уголках солнечной системы. Да и если уж смотреть на изотопный состав воды, то надо посмотреть на изотопы кислорода. Их несколько больше чем изотопов водорода :)
Конечно глупо отрицать, что часть воды привнесена в систему кометами, тут вопрос в объемах.
Реально ли полагать, что такое количество притащили межзвездные гости?
Я таки полагаю, что главную роль у нас тут играет наш местный термоядерный реактор и синтезатор :)

Да и если уж смотреть на изотопный состав воды, то надо посмотреть на изотопы кислорода. Их несколько больше чем изотопов водорода :)

Не намного. Всего на один больше, если считать стабильные. :) И кислород существенно менее дифференцирован. Одно дело, когда масса отличается в два раза, как в паре водород-дейтерий, и совсем другое - когда на пять-десять процентов, как у изотопов кислорода. Хотя по кислороду тоже наверняка есть расхождение, оно не такое наглядное.

Реально ли полагать, что такое количество притащили межзвездные гости?

Да почему межзвездные-то? Да и количество не такое уж большое, просто пока вода на поверхности плещется, кажется, что ее много. На Европе, вон, воды больше, чем на Земле. В абсолютных цифрах.

А на Венере воды пренебрежимо мало, хотя по составу она не так уж сильно от Земли отличается.

"Да почему межзвездные-то? "
--- Ну вот и я об этом.
Может конечно водички и нанесло астероидами, но все-равно она наша, местная, солнечная :)
Про Венеру не так давно баили, что там мол экология была никак не хуже чем чем на земле всего каких-то пару лярдов лет. Ну а потом шото там случилось, баланс был нарушен, ну и какая там вода при температурах на поверхности 500 градусов?

но все-равно она наша, местная, солнечная :)

Да. Но (по всей видимости) не из недр Земли - о чем я, собственно, и толкую.

ну и какая там вода при температурах на поверхности 500 градусов?

Так ее и в атмосфере нет нифига! Если бы она в товарных количествах выделялась из горных пород - наверное, было бы больше.

На Земле в катархее тоже было не сказать чтобы прохладно.

Edited at 2018-09-11 06:31 pm (UTC)

Есть в атмосфере Венеры вода.
Даже подсчитали, что если ее осадить на поверхность, то будет слой 3 сантиметра. Согласитесь, в абсолютных величинах это немало. А ведь она постоянно испаряется и участвует в хим реакциях.
То есть она таки пополняется?
Кстати, я только что прочел, что граниты образуются на глубинах под землей именно за счет той воды, которая содержится в мантии (не спрашивайте о деталях).

Даже подсчитали, что если ее осадить на поверхность, то будет слой 3 сантиметра

Ну вот. А на Земле - 370000 сантиметров.

Кстати, я только что прочел, что граниты образуются на глубинах под землей именно за счет той воды, которая содержится в мантии (не спрашивайте о деталях).

Не буду, просто читайте дальше. :) Там наверняка написано, что в мантии дофига воды, загнанной туда вместе с осадочными породами субдукцией литосферных плит. Поэтому в более-менее "свежих" породах изотопное соотношение такое же, как в Мировом океане.

  • 1