Метеорные потоки стимулируют круговорот воды на Луне

Рис. 1. Импактная гипотеза формирования Луны: после столкновения Земли и гипотетической планеты Тейя в околоземное пространство было выброшено много вещества, из которого потом образовалась Луна. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Исторически лунная поверхность считалась безводной: несмотря на то, что вокруг Луны есть газовая оболочка, она настолько разрежена, что не может удерживать воду миллиарды лет. Эту гипотезу поначалу подтверждали и исследования содержания воды в привезенных с поверхности Луны образцах — ее было либо ничтожно мало, либо вообще ниже предела чувствительности приборов. Но современные данные, полученные автоматическими станциями, указывают не только на присутствие воды в лунном грунте, но и на наличие круговорота воды между лунной поверхностью и атмосферой. Благодаря серии измерений, проведенных аппаратом LADEE во время прохождения Луны через метеорные потоки, появилась возможность оценить, сколько воды содержится в приповерхностных слоях лунной поверхности, а также построить количественную модель водного цикла.

В середине XIX столетия астрономы были твердо уверены, что Луна — это безводный каменистый мир с незначительной атмосферой, если она вообще есть. Лунная атмосфера была обнаружена, а измерения лунного атмосферного давления, проведенные В. Пикерингом в 1892 году, показали, что оно меньше земного в 4000 раз (W. H. Pickering, 1892. The Lunar Atmosphere and The Recent Occultation of Jupiter). В таких условиях длительное присутствие воды на лунной поверхности невозможно: она практически мгновенно будет переходить в газообразное состояние и покидать спутник Земли. На рубеже XIX и XX веков такой точки зрения о воде на Луне придерживались многие ученые, в качестве основной она продержалась несколько десятков лет.

К середине XX века стало ясно, что все не так просто. Гарольд Юри (лауреат нобелевской премии по химии 1934 года за открытие дейтерия, позже занявшийся космохимией) предположил, что исходный материал для образования Луны и Земли был одинаковым и, следовательно, вода на Луне, как минимум, когда-то была (S. Brush, 1982. Nickel for Your Thoughts: Urey and the Origin of the Moon). В 1964–65 годах в ходе миссий «Рейнджер-7» и «Рейнджер-9» были получены качественные снимки лунной поверхности с близкого расстояния, на которых можно было различить формы рельефа («каналы» и «каньоны»), будто бы прорезанные водой. Хотя сейчас точно определено, что это следы лавовых потоков, в то время эти снимки послужили в пользу утверждения гипотезы Юри.

Дискуссия продолжалась до первых успехов космической программы «Аполлон» (принята к действию в 1961 году, завершена в 1975 году; первая высадка людей на Луне состоялась в 1969 году), давшей в руки ученым образцы лунных пород и результаты прямых анализов лунной атмосферы. Состоящая преимущественно из аргона, образующегося при распаде радиоактивного изотопа ⁴⁰K, она содержала ничтожное количество молекул воды — около 600 штук на кубический сантиметр (J. H. Hoffman, R. R. Hodges, 1975. Molecular gas species in the lunar atmosphere). Изучение лунных базальтов также не показывало значительного воздействия воды: минералов, образующихся из насыщенных водой расплавов, — амфиболов — в них обнаружено не было, зато присутствовал пироксен, указывающий на бедные водой условия кристаллизации (R. Charles et al., 1971. H₂O in lunar processes: The stability of hydrous phases in lunar samples 10058 & 12013). Исключения, конечно же были: во многих образцах вода в небольших концентрациях детектировалась (в пересчете на тонну — от 250 до 500 грамм), но тогда это интерпретировалось как загрязнение земной водой из-за одинаковых изотопных соотношений кислорода (что, в свою очередь, позже стало важным аргументом в пользу того, что Луна сформировалась из осколков Земли). Самым водонасыщенным был признан образец 66095 ‘Rusty Rock’ («Ржавый камень»), в котором было много минерала гётита (FeO(OH)) и шрейберзита (Fe,Ni)₃P — типичного минерала метеоритов, очень редкого для Земли. Он и подобные образцы ясно указывали на метеориты (вроде углистых хондритов) и кометы как путь доставки H₂O на лунную поверхность (S. Epstein, H. P. Taylor, 1974. D/H & ¹⁸O/¹⁶O ratios of H₂O in the ‘rusty’ breccia 66095 & the origin of ‘lunar water’).

В конце 70-х годов начала набирать силу импактная гипотеза образования Луны (рис. 1), принятая большинством в современном научном сообществе. Согласно ей, Луна образовалась примерно 4,5 млрд лет назад при столкновении Земли с планетой Тейя (которая была размером с Марс). Выброшенные обломки сформировали вокруг Земли диск, части которого под действием гравитационных сил слипались и со временем сформировали Луну.

Эта гипотеза прекрасно объясняла судьбу воды и других элементов с низкой температурой кипения (к примеру, свинца, которым горные породы Луны обеднены относительно земных) — они просто испарились в космос. Поэтому на некоторое небольшое время гипотеза безводной Луны опять перевесила.

Ситуация могла резко поменяться в 1976 году, когда советская станция «Луна-24» доставила двухметровый керн лунного грунта — реголита — из Моря Кризисов на Землю. Реголит состоит из смеси обломков горных пород и маленьких стеклянных шариков, которые образовались при мгновенном остывании расплавов, появляющихся при падении метеоритов (рис. 2). Он покрывает большую часть поверхности Луны. В районе лунных морей толщина слоя реголита составляет 4–5 метров, а на более древних «материках» — до 10–15 метров.

Рис. 2. Слева — реголит, доставленный на Землю станцией «Луна-16» (образец из коллекции музея ГЕОХИ РАН); фото автора. Справа — схематическое строение лунной поверхности; рисунок с сайта hou.usra.edu

Анализ этого керна, проведенный с помощью ИК-спектроскопии учеными из ГЕОХИ РАН в 1978 году, показал наличие в нём 0,1 весового процента воды, что было ясным сигналом — вода есть, но искать ее нужно глубже (M. V. Akhmanova et al., 1978. Possible Water in Luna 24 Regolith from the Sea of Crises). Однако этот результат не произвел должного эффекта — сказались масштабы исследованных пород: 327 г в советской программе против почти 400 кг американской. Большинство продолжало считать Луну безводной.

В 1994 году автоматическая станция «Клементина» — первый окололунный аппарат после «Аполлонов», оснащенный радаром, — зафиксировала исходящий с затененных участков лунной поверхности сигнал, характерный для водяного льда (S. Nozette et al., 1996. The Clementine Bistatic Radar Experiment; S. Nozette et al., 2001. Integration of lunar polar remote‐sensing data sets: Evidence for ice at the lunar south pole).

В 1998 году начал работать аппарат Lunar Prospector, изучавший идущий от Луны поток тепловых нейтронов. В его данных были обнаружены отрицательные аномалии в районе северного и южного полюсов Луны. Тепловые нейтроны образуются при бомбардировке вещества космическими лучами. Сталкиваясь с любым атомом, кроме атома водорода, эти нейтроны сохраняют импульс и продолжают движение. А вот при столкновении с атомом водорода они теряют большую часть импульса и останавливаются. Это дает очень удобный метод дистанционной регистрации водорода на поверхности планет. Таким образом, отрицательная аномалия тепловых нейтронов свидетельствовала о наличии водорода в районе полюсов Луны и интерпретировалась учеными как большие (в зависимости от модели — сотни миллионов или миллиарды тонн) запасы воды (W. C. Feldman et al., 1998. Fluxes of Fast and Epithermal Neutrons from Lunar Prospector: Evidence for Water Ice at the Lunar Poles).

Сейчас, когда уже получены и обработаны данные миссий «Кассини» (R. N. Clark, 2009. Detection of Adsorbed Water and Hydroxyl on the Moon), Deep Impact (J. Sunshine et al., 2009. Temporal and Spatial Variability of Lunar Hydration As Observed by the Deep Impact Spacecraft), Lunar Prospector (D. Lawrance et al., 2006. Improved modeling of Lunar Prospector neutron spectrometer data: Implications for hydrogen deposits at the lunar poles) и «Чандраян-1» (C. M. Pieters et al., 2009. Character and Spatial Distribution of OH/H₂O on the Surface of the Moon Seen by M³ on Chandrayaan-1), мы уже точно знаем и о том, что вода присутствует на поверхности Луны, и даже примерную карту ее распределения. Концентрация воды в зависимости от места и метода измерения колеблется от 10 до 10 000 г H₂O/OH на тонну лунного грунта.

Наблюдения с помощью нейтронного спектрометра, установленного на аппарате Lunar Reconnaissance Orbiter, показали еще больше: были обнаружены скопления водяного льда в постоянно затененных кратерах на полюсах (I. G. Mitrofanov et al., 2010. Mapping of the lunar south pole using the LRO neutron detector experiment LEND). Как считают ученые, они образовались из воды, которая выбрасывается в лунную атмосферу при столкновении с кометами и водосодержащими метеоритами. Такие события не только приносят воду на Луну извне, но и высвобождают воду, содержащуюся в лунном грунте.

В лунном грунте вода образуется в ходе восстановительных химических реакций под действием протонов солнечного ветра:

Конечно же, часть воды при таких событиях теряется, но какая-то ее часть вполне имеет шанс попасть к холодным ловушкам в кратерах у полюсов, где возможно стабильное существование льда на протяжении миллиардов лет (о сходном механизме сохранения льда на Марсе см. Лед в кратере Королёв).

В результате многократного повторения описанных процессов осуществляется циркуляция воды между лунным грунтом и атмосферой, что позволяет говорить о наличии полноценного цикла воды на Луне. Разные элементы этого цикла много раз моделировались, однако его детальная характеристика была затруднена из-за недостатка численных данных и прямых измерений. Команда ученых из NASA и Университета Джонса Хопкинса, обработав информацию данные миссии LADEE, собранные в 2013–14 годах, опубликовала недавно в журнале Nature Geoscience статью, детально описывающую измерения параметров круговорота воды на Луне и его полноценную модель.

Запущенный в 2013 году аппарат LADEE был оборудован масс-спектрометром для анализа химического состава атмосферы Луны, UV-Vis спектрометром (для наблюдений в ультрафиолетовом и видимом диапазоне). Также на нем был установлен прибор LDEX (Lunar Dust Experiment), позволявший измерять количество и размер частиц лунной пыли. После 128 дней научной работы LADEE сошел с орбиты и столкнулся с Луной 17 апреля 2014 года (рис. 3).

Рис. 3. Место падения аппарата LADEE на Луну рядом с кратером Сундман V (самый крупный кратер в центре снимка): слева — до падения аппарата, справа — после. В центре кадра заметен образовавшийся от падения небольшой кратер. Место падения было специально выбрано на обратной стороне Луны, чтобы случайно не повредить ценные с исторической точки зрения места (например, спускаемые аппараты советских и американских миссий). Фото с сайта en.wikipedia.org

Орбита LADEE проходила вдоль лунного экватора на высоте 20–100 км — в лунной экзосфере. Определив присутствие там гелия, аргона, неона и метана, масс-спектрометр LADEE также произвел 743 независимых измерения концентраций H₂O, которые были соотнесены с прохождением Луны через известные метеорные потоки (рис. 4).

Рис. 4. График нормализованной функции интенсивности, наложенный на моменты прохождения Луны через метеорные потоки. Исходные значения для функции — концентрация воды в лунной атмосфере, измеренная масс-спектрометром аппарата LADEE. Цветовая шкала справа показывает достоверность сопоставления метеоритного потока и выброса воды. График из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

По данным Международного Астрономического Союза за время научной фазы LADEE Луна прошла через 40 ежегодных метеорных потоков, которые породили 32 метеоритные бомбардировки. При прохождении через наиболее плотные потоки инструмент LDEX фиксировал увеличение концентрации пыли в экзосфере Луны, однозначно идентифицируя множественные столкновения космических объектов с поверхностью. Масс-спектрометр при этом производил измерения концентрации воды в поднятой с поверхности пыли.

При расчетах корреляции столкновений и выбросов воды использовалась нормализованная функция интенсивности (NEIR — normalized event intensity rate), возвращающая тем большие значения, чем больше было пиков концентрации воды и чем сильнее были эти пики во время потока. На рисунке 4 показан график этой функции: хорошо видно, что для крупных потоков вроде Леонид (LEO) и Геминид (GEM) функция принимает большие значения, чем малых потоков (таких как, например, Урсиды (URS) и α-Кентавриды (ACE)). 29 (из 32) пиков были зафиксированы в пределах 48 часов от предполагаемого максимума соответствующего метеорного потока. Так как в норме вода почти отсутствует в лунной экзосфере, можно уверенно утверждать, что вся вода, обнаруженная в ходе этих измерений, была поднята с поверхности Луны.

Соотнесение данных LDEX и масс-спектрометра показывает, что основная часть водных выбросов генерируется метеоритами массой около 0,15 грамма, меньшие же тела практически не оказывают никакого влияния на концентрацию воды в экзосфере Луны. Такое возможно, только если сухими являются лишь верхние несколько сантиметров лунного грунта. Построив модель поверхности Луны, состоящую из верхнего безводного слоя и «водоносного» нижнего слоя, и рассчитав глубину проникновения этих небольших метеоритов, ученым удалось установить, что лучше всего данным LADEE соответствует вариант, в котором толщина верхнего сухого слоя составляет в среднем около 8 см (рис. 5).

Рис. 5. Соотношение различных двухслойных (то есть учитывающих наличие водосодержащего нижнего и сухого верхнего слоев) моделей лунной поверхности с варьирующейся толщиной верхнего слоя с наблюдениями LADEE. Слева — количество выброшенной воды, приходящейся на метеориты разной массы, справа — распределение выбросов воды разного масштаба (число молекул воды на один кубический сантиметр лунной атмосферы на высоте пролета LADEE). Графики из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Исходя из этого, была произведена оценка концентрации воды в описываемом нижнем слое толщиной 3 метра (это максимальная глубина проникновения самых крупных метеоритов весом около 100 кг в лунный грунт по оценкам авторов статьи), которая составила 220–520 грамм на тонну. Хотя наличие верхнего безводного слоя предполагалось и ранее (S. Li, R. E. Milliken, 2017. Water on the surface of the Moon as seen by the Moon Mineralogy Mapper: Distribution, abundance, and origins), его толщина оценивалась в первые миллиметры. Таким образом, в термически активном (подверженному перепаду температур при смене лунных дня и ночи; температуры, кстати, меняются в пределах от 100 К ночью до 380 К днем, см. A. R. Vasavada et al., 2012. Lunar equatorial surface temperatures and regolith properties from the Diviner Lunar Radiometer Experiment) приповерхностном слое реголита вода нестабильна и быстро теряется за счет диффузии.

В хуже прогреваемых полярных и приполярных областях предполагается меньшая толщина термически активного слоя. Являясь мембраной между атмосферой и нижними водосодержащими породами, он, как показывают измерения, практически не содержит воды сам по себе, что указывает на высокую скорость происходящей диффузии.

Рис. 6. Предлагаемая схема лунного водного цикла. NMS — нейтронный масс-спектрометр аппарата LADEE. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Выбросы воды с поверхности, вызванные прохождением Луны через метеорные потоки, добавляет существенное ее количество к тому объему, который теряется за счет десорбции. По данным LADEE, в среднем 1,3×10⁻¹⁷–3,2×10⁻¹⁷ г воды с квадратного сантиметра поверхности воды выбрасывается каждую секунду из-за метеоритной бомбардировки, что при экстраполяции данные, полученные на экваторе, на район полюсов дает 5,1–12,1 г воды в секунду по всей Луне. Если же считать, что толщина верхнего безводного слоя действительно уменьшается к полюсам, то следует ожидать даже больших реальных значений. 67% выброшенной воды безвозвратно покидает лунную атмосферу, а оставшиеся 33% перераспределяются по поверхности. Итого, за секунду с Луны в космическое пространство выбрасывается 3,4–8,1 г воды. Параллельно за счет взаимодействия протонов солнечного ветра с реголитом образуется 2 г/с воды. Поскольку вклады иных известных и исследованных процессов в привнос и потерю воды ничтожно малы и на общий баланс почти не влияют, получается, что водный баланс в реголите держится на уровне потерь 1,4–6,1 г/с (на Луне, предположительно, идет постоянный процесс потери H₂O, оставшейся с момента формирования спутника Земли, но еще только предстоит выяснить, идет ли этот процесс и каковы его масштабы).

Исключением являются перманентно затененные участки лунной поверхности, на которых постоянно держатся низкие температуры и водный лед может скапливаться из-за меньших потерь при диффузии: более высокая концентрация воды означает и большие потери из-за метеоритных бомбардировок.

Эта работа американских ученых не только связывает воедино элементы лунной «погоды» и позволяет говорить о них, используя конкретные цифры, но и дает возможность оценить потенциал разных зон лунной поверхности для возможной добычи воды. Вода, являясь критически важным ресурсом для всех пилотируемых космических миссий, составляет значительную часть стартовой нагрузки корабля. Поэтому идея пополнять запас воды на теоретической лунной базе прямо из реголита значительно удешевляет проекты межпланетных перелетов и является важным моментом в сценариях освоения Солнечной системы.

Источник: M. Benna, D. M. Hurley, T. J. Stubbs, P. R. Mahaffy & R. C. Elphic. Lunar soil hydration constrained by exospheric water liberated by meteoroid impacts // Nature Geoscience. 2019. V. 12. P. 333–338. DOI: 10.1038/s41561-019-0345-3.

Кирилл Власов