Запасы воды на Луне возникли благодаря «поставкам» с астероидами, а не за счет падений комет, как считали ранее — один крупный астероид может доставить на лунную поверхность больше воды, чем все падения комет за миллиард лет, выяснили ученые из Института динамики геосфер РАН и МФТИ с помощью компьютерного моделирования. Исследование опубликовано в журнале Planetary and Space Science.
В начале космической эры и во времена программы «Аполлон» ученые считали Луну абсолютно сухим телом. Отсутствие атмосферы и воздействие солнечной радиации должны были испарить все летучие вещества в космос еще на ранних стадиях эволюции спутника. Однако в 1990-е годы исследователи получили с борта зонда Lunar Prospector данные, которые поколебали это убеждение: поток нейтронов с поверхности спутника указывал на большую долю водорода в приповерхностном слое грунта в некоторых регионах Луны, что можно было интерпретировать как признак наличия воды.
Чтобы объяснить, как вода может удерживаться на Луне, ученые сформулировали теорию «холодных ловушек». Ось вращения Луны почти строго вертикальна, поэтому в приполярных регионах есть кратеры, дно которых никогда не освещается Солнцем. При падении комет, которые состоят в основном из водяного льда, испарившаяся вода могла оседать в этих «ловушках» и в виде льда оставаться там навсегда — ведь солнечные лучи не могли ее испарить.
Лунные миссии последних лет: индийский зонд «Чандраян», американский LRO, некоторые данные с борта зонда «Кассини» и аппарата «Дип Импакт» — принесли ученым две новости. Первая состояла в том, что вода и гидроксильные группы действительно в значительных количествах есть в приповерхностном слое лунного грунта. Эксперимент LCROSS, в рамках которого на Луну был сброшен зонд, а возникшее в результате взрыва газопылевое облако было исследовано спектрометрами, впервые напрямую подтвердил наличие воды и некоторых других летучих веществ. Российский прибор ЛЕНД на борту LRO составил карту распределения воды по поверхности Луны.
Температура поверхности у южного полюса Луны по данным LRO © NASA.
Однако была и вторая новость: теория оправдалась лишь частично, карта «холодных ловушек» не совпала с картой месторождений воды. Теорию пришлось дорабатывать, был предложен вариант «лунной мерзлоты», который допускал возможность «выживания» водяного льда в районах, освещаемых Солнцем, под одеялом из грунта. Кроме того, рассматривалась версия, что значительная часть «воды», которую видят зонды — это имплантированный солнечный ветер: атомы водорода солнечного ветра на поверхности Луны вступают в реакцию с атомами кислорода, образуя неустойчивую «росу» из молекул воды и гидроксильных групп. Ученые не исключали, что вода может находиться и в связанном состоянии — в гидратированных минералах.
Вопрос о том, как именно вода оказалась на Луне и сколько ее там может быть, оставался открытым. Причем второй вопрос уже в ближайшие годы может приобрести практическое значение: если мы собираемся создавать на Луне обитаемые станции, знать, на какие ресурсы мы можем рассчитывать, желательно еще до начала проектирования.
Сотрудники кафедры теоретической и экспериментальной физики геосистем Владимир Светцов и Валерий Шувалов, которые много лет исследуют падения астероидов и комет (они, в частности, занимались компьютерным моделированием Тунгусской катастрофы и падения Челябинского метеорита), решили найти наиболее вероятный механизм доставки воды на Луну и примерный объем «поставок». Для этого они с помощью созданного ими алгоритма SOVA провели компьютерное моделирование падения на Луну разных типов космических тел с разными скоростями и разными углами падения. На выходе модель, в частности, показывала распределение максимальных температур, до которых нагревалось в процессе удара вещество ударника, и динамику удара.
Ученые в первую очередь решили проверить, могут ли кометы играть роль главных «водоносов». Типичная скорость падения ледяных комет —от 20 до 50 километров в секунду. Расчеты показали, что при такой скорости соударения от 95 до 99,9% всей кометной воды безвозвратно испаряется в космос. Существует семейство короткопериодических комет, чьи скорости падения существенно ниже — 8-10 километров в секунду. На долю таких медленных комет приходится примерно 1,5% лунных кратеров. Однако симуляция показала, что и при падениях таких низкоскоростных комет практически вся кометная вода испаряется и менее 1% воды остается на месте падения.
«Мы пришли к выводу, что только очень небольшая часть воды, которую приносят кометы, остается на Луне, и решили оценить возможность астероидного происхождения воды на Луне», — говорит Шувалов.
Ученые решили присмотреться к астероидам: они состоят из первоначального недифференцированного строительного материала Солнечной системы и содержат довольно значительную долю воды. В частности, углистые хондриты — наиболее распространенный тип астероидов и метеоритов — могут содержать до 10% воды.
Но при этом вода в хондритах надежно защищена: она находится в химически связанном состоянии, «заблокирована» в кристаллической решетке минералов. Вода начинает выделяться из их состава только при нагреве до 300-1200 градусов (в зависимости от типа водосодержащих минералов), а значит, потенциально может остаться в кратере вместе с веществом астероида.
Моделирование показало, что при скорости падения 14 километров в секунду и угле падения около 45 градусов примерно половина массы астероида не достигает даже температуры плавления и остается в твердом состоянии. Треть от всех астероидов, падающих на Луну, имеет перед соударением скорость ниже 14 километров в секунду. При этом большая часть вещества упавшего тела остается в кратере — от 30%-40% при косом ударе, и до 60-70% — при вертикальном.
«Мы пришли к выводу, что падения астероидов, содержащих воду, могли создавать «месторождения» химически связанной воды внутри некоторых лунных кратеров, — говорит Шувалов. — Одно падение двухкилометрового астероида с достаточно высокой долей гидратированных минералов могло принести на Луну больше воды, чем все падения комет за миллиард лет».
Расчеты показали, что от 2% до 4,5% лунных кратеров может содержать существенные запасы воды в виде гидратированных минералов, достаточно устойчивых, чтобы удержать воду даже на освещенных Солнцем местах.
«Это важно, потому что приполярные холодные ловушки — очень неудобные места для создания лунных баз. Там мало солнечной энергии, сложно организовать радиосвязь, наконец, там экстремально низкие температуры. Возможность получать лунную воду в районах, освещаемых Солнцем, может значительно облегчить задачу исследования спутника», — заключил ученый.
—
Ссылка на статью:
V.V. Svetsov and V.V. Shuvalov, Water delivery to the Moon by asteroidal and cometary impacts, Planetary and Space Science, http://dx.doi.org/10.1016/j.pss.2015.09.011
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект N 13-05-00694-a.
