Как найти лунный лед? Помогут лунные землетрясения!

Поверхность Луны представляет собой безжизненное и суровое место, где может скрываться значительное количество водяного льда, как на поверхности, так и под пылевым ландшафтом. Однако обнаружить запасы льда не так просто — для этого требуется специализированное картографирование. Ученые разработали новый способ поиска скрытых запасов льда на Луне, используя сейсмические волны от лунных землетрясений в качестве маяков для их локализации.

Карта возможных запасов воды на Луне в районе южного полюса. Предоставлено: миссия Chandrayaan. Кредит: ISRO.

Геологи из Университета Мэриленда, Лаборатории Лоуренса Беркли и Университета Гавайев недавно опубликовали статью, в которой исследуется роль сейсмических волн в локализации ледяных запасов на Луне. Поиск водяного льда имеет важное значение, так как пользователи будущих лунных лабораторий и обитаемых модулей будут нуждаться в постоянном источнике воды. Кроме того, лед можно использовать для производства кислорода и ракетного топлива для передвижения по Луне. Это гораздо более дешевый и эффективный источник воды, чем доставка ее с Земли.

Как Луна получила воду?

Происхождение запасов воды на Луне остается загадкой, хотя некоторые свидетельства указывают на возможные источники. Наиболее вероятные места для значительных объемов воды находятся на полюсах и в других регионах, куда лед мог быть доставлен кометами или астероидами. Также возможно, что запасы находятся в областях, где вулканизм переносил воду изнутри Луны на поверхность, или через солнечный ветер и метеорные дожди, которые бомбардируют поверхностные породы, вызывая химические реакции, способные высвобождать молекулы воды. Доказательства наличия воды довольно значительны и основаны на исследованиях образцов пород, привезенных в эпоху программы «Аполлон», а также на данных, полученных в ходе таких миссий, как китайский зонд Chang'e 5, проект SOFIA и детализированные изображения от ученых миссии Chandrayaan. Вероятно, что большая часть предложенной луной воды накопилась за миллионы или миллиарды лет, а не в результате одного крупного удара кометы или астероида.

Эти изображения показывают очень молодой лунный кратер на стороне Луны, обращенной от Земли, как видно с помощью Модератора Минералогии Луны NASA на космическом аппарате Chandrayaan-1 Индийской организации космических исследований. Слева изображение, показывающее яркость на более коротких инфракрасных длинах волн. Справа показано распределение минералов, богатых водой (светло-голубой цвет), вокруг небольшого кратера. Обнаружены материалы, богатые как водой, так и гидроксилом, связанные с материалами, выброшенными из кратера. Кредиты ISRO/NASA/JPL-Caltech/USGS/Brown Univ.

Будущее использование лунного льда

По словам Николаса Шмерра из Университета Мэриленда, миссии Artemis и другие будут полагаться на запасы льда на Луне, независимо от их происхождения. "Крайне важно определить любые материалы на Луне, которые могут быть полезны астронавтам во время их пребывания там," — отметил Шмерр, который является соавтором исследования. "Поскольку они будут ограничены в ресурсах, которые принесли с Земли, все, что они найдут на Луне, поможет им жить на месте, особенно для долгосрочных миссий или баз."

Лунный лед также предоставляет новые возможности для исследований в области планетарной науки. Лед в затененных кратерах может содержать нетронутые запасы льда, доставленного кометами и другими событиями из ранней истории солнечной системы. "Луна стала свидетелем некоторых из самых критических событий ранней солнечной системы, включая способы доставки воды," — сказал Шмерр. "Изучение льда, накопленного там, может раскрыть, как вода распространялась и в конечном итоге как образовались океаны Земли."

Сейсмические волны и лед

Для поиска льда под поверхностью требуется новый подход к его локализации. Поверхность Луны холодна и суха. На основе исследований на Земле ученые знают, что сейсмические волны ведут себя по-разному в зависимости от типов материалов, через которые они проходят. Когда происходит землетрясение, оно посылает механические волны, которые путешествуют через все материалы под поверхностью, и их скорость изменяется в зависимости от того, через что они проходят. Плотность и эластичность материалов являются важными факторами. Скорость волны может дать представление о том, насколько глубоко произошло землетрясение, по сути, где оно произошло.

Например, если волна проходит через область с большим количеством льда, волны движутся в два-три раза быстрее, чем через землю или песок. Области с большим содержанием льда также демонстрируют возврат волн, когда они взаимодействуют с жесткими, плотными материалами. Если на Луне есть много льда под землей, ученые ожидают увидеть изменения в скорости сейсмических волн, а также возможный возврат. По словам Шмерра, возврат также может раскрыть другие характеристики скрытого льда. "Мы можем использовать сейсмические волны, чтобы не только увидеть, присутствует ли лед, но и примерно сколько его там," — объяснил он.

Как тестировать на наличие лунного льда

Изучать сейсмические волны на нашей планете — это одно, а делать это на Луне — совершенно другое. Чтобы определить лучший способ обнаружения запасов льда на Луне, команда, возглавляемая Харрисоном Лисабетом из Лаборатории Лоуренса Беркли, опробовала три подхода для обнаружения. Во-первых, они взяли вулканическую породу из Аризоны, которая близка к лунным породам. Если эту породу измельчить, она превращается в почти точный аналог лунной пыли. Они заморозили ее, а затем провели рентгеновское исследование, чтобы увидеть, как лед осел между частицами пыли. Второй подход включал температурные модели для полярных регионов, где древние ледяные запасы, похоже, остаются нетронутыми солнечным светом. Наконец, Шмерр провел компьютерные симуляции небольших лунных землетрясений, чтобы увидеть, как они взаимодействуют с подземным льдом на Луне. Все три метода оставили очень четкие следы льда в данных.

Данные рентгеновской томографии смоделированного лунного реголита, показывающие а) сухую пробу, б) рендеринг ледяных микроструктур, подготовленных с небольшим количеством воды, в) частицы с удаленным льдом и г) лед с удаленными частицами. Лед действует как цемент в порах между частицами пыли. Этот результат теста показал, как лед может существовать в реголите Луны. Кредит: Лисабет, Шмерр и др.

Результаты выглядят многообещающе, и исследовательская группа смогла предложить некоторые рекомендации для дальнейших исследований методов поиска льда на Луне. Один из подходов заключается в том, чтобы изучить микроструктуры более широкого спектра аналогов лунного реголита на Земле. Кроме того, будущие компьютерные модели должны учитывать более точные измерения топографии Луны. Наконец, команда предлагает провести дополнительные сейсмические модели и тесты, чтобы определить более точные местоположения и глубины льда. Поиск лунного льда — это реальная задача, и будущие исследователи будут нуждаться в этом ресурсе. Команда отмечает, что недавние спектроскопические данные показывают, что в лунном грунте содержится от 100 до 400 мг/г воды. Теперь задача состоит в том, чтобы определить запасы, которые можно разумно добывать для промышленного использования в рамках миссий Artemis и других. Запланированные роботизированные и пилотируемые миссии на Луну в следующем десятилетии предоставят возможности применить инструменты наземной геофизики для локализации важных ресурсов Луны. Следующая перспективная миссия — китайская Chang'e-7, которая должна отправиться на Луну в ближайшие годы и будет оснащена сейсмометром, способным искать ледяные запасы в районе кратера Шаклтон. Миссия Artemis в 2028 году также сможет установить Лунную станцию мониторинга окружающей среды, которая сможет проводить сейсмические исследования.