Ученые выяснили, как на Луне появился лед

Исследователи из Чехии и США выдвинули оригинальную гипотезу происхождения льда на лунных полюсах. Они считают, что молекулы воды из атмосферы нашей планеты перелетели на Луну на хвосте магнитосферы Земли.

Признаки воды

На Луне есть водяной лед. Особенного его много на Южном полюсе. Поэтому именно там планируют в будущем разместить лунную базу.

Поверхностный лед на полюсах Луны: Южный полюс слева, Северный полюс справа

Даже после того как на Луне побывали первые астронавты и автоматические станции, ученые были уверены, что поверхность нашего спутника абсолютно сухая и вода там не может существовать ни в каком виде из-за экстремальных температур и суровых условий космической среды. Но в 1976-м в образцах лунного реголита, доставленных советским зондом "Луна-24", обнаружили около 0,1 процента воды. А в 1990-х американские аппараты Clementine и Lunar Prospector, выполнявшие дистанционные исследования поверхности Луны с помощью радио- и спектрометрических методов, выявили скопления водяного льда в постоянно затененных кратерах на полюсах.

В 2008-м Индийская организация космических исследований отправила к спутнику Земли орбитальный аппарат "Чандраян-1". На его борту были спектрометр М3 (Moon Mineralogy Mapper), способный определить молекулы воды по спектру их излучения, и радиочастотный радар Mini-SAR, умеющий отличить водяной лед от воды в виде гидроксильных групп в твердых минералах.

Аппарат "Чандраян-1"

Индийский зонд насчитал около Северного полюса Луны более 40 кратеров, которые, по оценкам ученых, содержат около 600 миллионов метрических тонн водяного льда. На Южном полюсе и того больше — там лед покрывает 22 процента поверхности. Сотни полярных кратеров находятся в постоянной тени из-за небольшого наклона оси Луны к Солнцу — полтора градуса (у Земли — 23,4). Солнце никогда не поднимается над их краями, а на дне сохраняется температура порядка минус 250 градусов Цельсия.

В 2020-м тот же "Чандраян-1" нашел скопления гематита (оксида железа, внешне похожего на ржавчину, который образуется только в присутствии кислорода и воды). Причем и за пределами ледяных скоплений на полюсах.

Составное изображение поверхности Луны, полученное с помощью спектрометра М3 космического зонда "Чандраян-1". Синий цвет показывает спектральную сигнатуру гидроксильной группы

Загадка происхождения

До недавнего времени считали, что воду на Луну еще на ранних этапах ее истории, примерно 3,5 миллиарда лет назад, в период так называемой поздней тяжелой бомбардировки занесли астероиды и кометы. В качестве альтернативы рассматривали солнечный ветер. Слагающие его частицы ионизированного водорода при взаимодействии с лунным грунтом теоретически могут образовывать воду. Компьютерные модели показывали, что до половины ее должно испаряться каждый месяц во время полнолуния, когда Луна проходит через хвост магнитосферы Земли. В это время магнитное поле блокирует солнечный ветер, и его частицы не достигают лунной поверхности.

Однако в прошлом году ученые проанализировали данные зонда "Чандраян-1" и установили, что после прохождения магнитосферного шлейфа объемы лунного льда не сокращаются — наоборот, увеличиваются. Предположили, что это из-за "земного ветра" — потока магнитосферных ионов кислорода и водорода, способных соединяться в молекулы воды.

В 2007-м японский искусственный спутник Луны "Кагуя" обнаружил, что кислород из верхних слоев атмосферы Земли может путешествовать "на хвосте магнитосферы", достигая Луны. По результатам магнитометрических наблюдений спутников проекта НАСА THEMIS-ARTEMIS исследователи раздельно оценили количество частиц солнечного и "земного" ветра. Оказалось, максимум земных частиц приходится именно на полнолуние.

Ученые объяснили это так: раз в месяц магнитосфера нашей планеты, экранируя поток солнечного ветра, создает "водяной мост", по которому ионизированные частицы, вырванные из озонового слоя земной атмосферы, перелетают на Луну. Ионы движутся вдоль линий магнитного поля, которые, огибая спутник, уходят дальше в межпланетное пространство. Как частицам удается вырваться из магнитных потоков и осесть на лунной поверхности, авторы исследования не выяснили.

Каждый месяц Луна проходит сквозь ионные потоки в "хвосте магнитосферы" Земли

Сквозь разрывы магнитных линий

Недавно геофизики из Карлова университета в Праге и Аляскинского университета в Фэрбенксе высказали такую гипотезу.

Наша планета движется по орбите в пузыре магнитного поля, который разрывается сзади, образуя шлейф. Через этот хвост раз в месяц, в полнолуние, проходит Луна. Силовые линии на переднем крае магнитосферы замкнуты, а в хвосте — разомкнуты и уходят в бесконечность. Но если на их пути возникает достаточно массивное тело (в данном случае — спутник Земли), они отклоняются, запутываются и частично снова замыкаются. При этом часть ионизированных частиц осаждается на поверхности этого тела.

Подсчитали, что за миллиарды лет полярные регионы Луны могли накопить до 3500 кубических километров водяного льда. Это сопоставимо с восьмым по величине в мире озером Гурон в Северной Америке. Причем при условии, что до Луны долетает лишь один процент ионов, покидающих Землю.

Ученые из Аризонского университета полагают, что благодаря магнитному полю вода не только попала на поверхность спутника, но и сохранилась до наших дней. Даже несмотря на разрушительное действие солнечного ветра, который, в отличие от света, легко проникает в затененные участки кратеров. Правда, в этом случае речь идет не о магнитосфере Земли, а о локальных магнитных аномалиях у некоторых крупных кратеров. Их выявил и нанес на карту зонд "Кагуя" в 2007-2009 годах. Исследователи думают, что остаточная намагниченность связана с богатым железом материалом астероидов, образовавших кратеры. И хотя эти магнитные поля в тысячи раз слабее земного, их вполне достаточно, чтобы отклонить от залежей льда потоки ионизированных частиц солнечной плазмы.

Кратер Шеклтон в районе Южного полюса Луны — один из тех, в которых обнаружили залежи водяного льда

По мнению авторов работы, водяной лед может находиться не только на дне лунных кратеров, но и слагать слой подповерхностной вечной мерзлоты в приполярных областях. На это указывают результаты гравиметрических исследований. Ученые считают, что аномалии силы тяжести, обнаруженные орбитальным аппаратом НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter, свидетельствуют о породах, насыщенных льдом.

В следующем году американское космическое агентство планирует отправить к Южному полюсу луноход VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover). Ровер оборудуют метровым буром и приборами, которые смогут прямо на месте анализировать состав грунта.

3D-модель американского лунохода VIPER

Место для лунной станции

По итогам работы лунохода VIPER в НАСА окончательно определятся с местом для будущей станции, которая, в соответствии с программой "Артемида", должна появиться на Луне до конца десятилетия. Подобные планы есть и у России, и у Китая.

Все проекты ориентируются на Южный полюс, хотя летать на орбитальную станцию и обратно проще из экваториальной зоны. Но именно в южной полярной области сосредоточены залежи льда, необходимого для получения воды, кислорода для дыхания и водорода для ракетного топлива. Кроме того, здесь находятся так называемые пики вечного света — вершины, постоянно освещенные Солнцем, на которых можно поставить солнечные батареи.

Наиболее вероятным местом для строительства станции считают кратер Шеклтон диаметром 21 километр практически на самом Южном полюсе. Вблизи есть сразу несколько потенциальных посадочных площадок.

Художественное представление лунной базы на склоне кратера Шеклтон