Вода на поверхности Луны образуется под действием солнечного ветра

Изучение образцов, доставленных на Землю китайской миссией «Чанъэ-5», показало, что лунный реголит содержит значительно больше воды, чем считали раньше. Основные ее объемы заключены в шариках импактного стекла. Сами импактиты возникают в результате бомбардировки Луны микрометеоритами, а вода образуется при воздействии на них солнечного ветра. Непрерывное накопление воды в лунном грунте и ее частичное испарение поддерживают круговорот воды на поверхности Луны.

Даже после того, как на Луне побывали первые астронавты и автоматические станции, ученые были уверены, что поверхность спутника Земли 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 году Индийская организация космических исследований отправила к спутнику Земли орбитальный аппарат «Чандраян-1». На его борту были спектрометр М³ (Moon Mineralogy Mapper), способный определять наличие воды, и радиочастотный радар Mini-SAR, умеющий отличить водяной лед от гидроксильных групп (-ОН) в твердых минералах. По результатам миссии составили карту поверхностного распределения водяного льда. Подтвердилось, что практически весь он находится в кратерах вечной тьмы в районе полюсов (рис. 2).

Однако, как образовался этот лед, оставалось загадкой. Изначально считали, что воду на Луну еще на ранних этапах ее истории, примерно 4,1–3,8 млрд лет назад, в период так называемой поздней тяжелой бомбардировки, занесли астероиды и кометы. Либо она имеет эндогенное происхождение, то есть была частью Луны с самого начала. На это, в частности, косвенно указывало наличие водорода в образцах вулканического стекла, собранных миссией «Аполлон».

Позднее предположили, что вода могла возникнуть на месте в результате воздействия солнечного ветра, несущего ионизированный водород, на кислородсодержащие минералы лунного грунта. Протоны солнечного ветра, соединяясь с кислородом окислов и силикатов, могут входить в решетку минералов в виде связанной воды или гидроксильных групп, а в дальнейшем, при химической перегруппировке по принципу 2Х-ОН → X-O-X + H₂O, давать молекулярную воду, адсорбируемую поверхностью минералов. Превращению гидроксила в воду может также способствовать постоянная бомбардировка поверхности Луны микрометеоритами.

Спектрометр M³ обнаружил признаки гидратированных минералов на всей поверхности Луны, включая освещенные Солнцем участки. Однако было непонятно, что дает сигнал — группа -ОН или Н₂О. Окончательное подтверждение наличия воды на освещенной Солнцем поверхности Луны, а не только в холодных и темных областях, получили в 2020–2022 годах, после того, как по данным наблюдений стратосферной обсерватории инфракрасной астрономии SOFIA составили первую подробную карту распределения воды на Луне (рис. 1, см. C. I. Honniball et al., 2021. Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA).

Тогда решили, что большая ее часть хранится в микрохолодных ловушках — постоянно затененных пустотах между зернами реголита (P. O. Hayne et al., 2020. Micro cold traps on the Moon). Расчеты показали, что при концентрации от 100 до 412 ppm в одном кубическом метре лунной почвы может содержаться до 350 грамм воды. До половины ее, по данным компьютерного моделирования, 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. Особенно активно процесс испарения происходит в экваториальных областях. А в полярных вода, наоборот, накапливается (W. T. Reach et al., 2023. The Distribution of Molecular Water in the Lunar South Polar Region Based upon 6 μm Spectroscopic Imaging).

Еще один вариант — вода может быть захвачена крошечными шариками импактного стекла в лунном реголите, образующимися при ударах микрометеоритов. Образцы, доставленные на Землю китайской миссией «Чанъэ-5» в декабре 2020 года, содержат в большом количестве (3–5% от объема грунта) сферические гранулы (сферулы) импактитов размером от десятков до сотен микрометров.

Ученые из Института геологии и геофизики Китайской академии наук исследовали эти шарики и обнаружили, что они содержат от 132 до 1570 мкг воды на грамм вещества. Таким образом, общее количество воды, заключенной в импактных сферулах, распределенных в верхних 12 метрах лунного грунта, оценивается в 0,3–270 млрд тонн. Статья опубликована в журнале Nature Geoscience.

В общей сложности авторы изучили 117 сферических стеклянных гранул с помощью автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии, электронно-зондового микроанализа, рамановской спектроскопии и наноразмерной масс-спектрометрии вторичных ионов (NanoSIMS), позволяющей проводить точечные замеры в отдельных сферулах. Они также проанализировали изотопный состав водорода и распределение воды в пяти импактных шариках и сравнили полученные данные с результатами моделирования (рис. 3).

Обратная корреляция между изотопным коэффициентом водорода δD_SMOW (отклонение в отношении дейтерия к протию относительно стандартного отношения в современной морской воде) и обводненностью частиц указывает на образование воды в результате воздействия солнечного ветра, которое произошло совсем недавно — не более 5 лет назад (рис. 4).

Все это говорит о том, что вода может быстро — в течение нескольких лет — накапливаться в стеклянных шариках путем диффузии и быстро высвобождаться при дегазации, поддерживая таким образом активный круговорот воды на лунной поверхности (рис. 5).

Измерительные приборы лунных миссий неоднократно фиксировали суточные циклы накопления и потерь воды в поверхностном слое реголита. Однако предыдущие исследования газово-жидких включений в минералах лунных почв, вулканических пород, пирокластов и агглютинатов (продуктов космического выветривания) не могли объяснить круговорот — накопление, удержание и выделение — воды на поверхности Луны. Отсюда ученые сделали вывод, что в лунном грунте должен быть какой-то иной гидратированный резервуар, способный поддерживать этот круговорот.

То, что основная часть воды содержится именно в импактных стеклах, а не в пирокластах, агглютинатах или расплавных включениях, подтверждают и изотопные данные (рис. 6)

Наличие быстрого водного цикла, связанного с поверхностным слоем импактитов, — хорошее известие для разработчиков проектов по освоению Луны. Раньше считали, что будущие колонисты могут рассчитывать только на лед полярных кратеров. Теперь же оказывается, что вода в значительных объемах присутствует по всей поверхности спутника, при этом ее запасы регулярно обновляются.

Вполне вероятно, что и водяной лед в кратерах частично образовался в результате этого круговорота. Когда поверхность спутника нагревается Солнцем, часть воды испаряется. Затем, в течение лунной ночи, поверхность регидратируется. При этом вода постепенно мигрирует в более холодные полярные области. Авторы предполагают, что и другие космические тела, лишенные атмосферы, могут таким же образом накапливать воду в своих поверхностных слоях.

Что касается дальнейшего изучения лунной воды, то здесь основные надежды ученых связаны с американским луноходом VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover), запуск которого запланирован на ноябрь 2024 года. Главная его задача — поиск полезных ископаемых и составление карты распределения водяного льда в постоянно затененных областях в районе Южного полюса.

Источник: Huicun He, Jianglong Ji, Yue Zhang, Sen Hu, Yangting Lin, Hejiu Hui, Jialong Hao, Ruiying Li, Wei Yang, Hengci Tian, Chi Zhang, Mahesh Anand, Romain Tartèse, Lixin Gu, Jinhua Li, Di Zhang, Qian Mao, Lihui Jia, Xiaoguang Li, Yi Chen, Li Zhang, Huaiwei Ni, Shitou Wu, Hao Wang, Qiuli Li, Huaiyu He, Xianhua Li, Fuyuan Wu. A solar wind-derived water reservoir on the Moon hosted by impact glass beads // Nature Geoscience. 2023. DOI: 10.1038/s41561-023-01159-6.

Владислав Стрекопытов