«Сомнения в полетах на Луну – это невежество»

Краткий ответ на вопрос, вынесенный в заголовке, таков – мы не знаем. На самом деле существует множество свидетельств существования замороженной воды в полярных районах Луны, но определение и оценка ее количества зависит от достоверности, точности, местоположения и распространенности. Пытаясь прояснить вопрос, я вкратце опишу то, что сообщается в основных наборах данных, а также – их недостатки и неточности (все начнется с наиболее точных методов измерения и постепенно придет к тем, чья точность — наименьшая), прежде чем говорить о том, что нам еще потребуется для того, чтобы расширить наше знание.

Падение аппарата «LCROSS»

9 октября 2009 года верхняя часть аппарата «Lunar Reconnaissance Orbiter» (LRO) под названием «Центавр» была медленно опущена на дно кратера Кабеус неподалеку от южного полюса Луны. Облако газа и пыли, появившееся после удара, наблюдалось не только следовавшим за ним спутником (который затем сам упал на Луну), но и летящим по орбите LRO космическим кораблем. Спутник наблюдал за воздействием солнечного света на выбрасываемые частицы и измерил поглощение света в ближнем инфракрасном спектре. Одновременно были обнаружены частицы водяного пара и льда, а также – ряд второстепенных компонентов в том числе – окись углерода, аммиак, метан и некоторые простые органические (углеродсодержащие) молекулы. Спектр точности наблюдений аппарата в ИК-диапазоне показывает, что весовой процент воды составляет примерно 5,6 ±2,9 %. Вопреки распространенному мнению, эта оценка оставалась верной еще восемь лет после события и не была скорректирована.

Коррективы были внесены устройством «LAMP» для оценки объема обнаруженных летучих паров в рамках миссии LRO. “LAMP” представляет собой спектрометр, работающий в ближнем УФ-диапазоне 100-200 нм. Этот прибор обнаружил явные свидетельства наличия в выброшенных частицах разнообразных элементов и двух молекул – угарного газа и водорода. Так как у нас гораздо меньше опыта интерпретации данных, полученных на Луне при УФ-свете, чем при ближнем ИК-излучении, результаты, опубликованные исследовательской группой «LAMP», были исправлены через год после первой публикации. В новых данных объему элементов, обнаруженных во время миссии «LCROSS» (коэффициент 5,47), была дана меньшая оценка, за исключением водорода, доля которого выросла с 1,4 весового % при предварительном анализе до 3,7 весового % при уточненных оценках. Для сравнения, обычная средняя концентрация водорода в лунной почве – примерно 50 частиц на миллион (0,005 весового процента), в то время как при выбросе после посадки «LCROSS» это число подскочило до 740 частиц.

Вода в виде пара и мелких частиц, а также молекулярный водород были высвобождены в результате посадки аппарата. Вероятно, что большое количество водорода, как в виде атомов, так и молекул (водород, гидроксогруппа, вода) было сформировано в полярных кратерах. Спектральный анализ в ближней области ИК-излучения и дальней области УФ-излучения наводит на значения около 2-10 весовых процентов. Это говорит о том, что выброс случился на глубине 2-5 метров.

На Луне есть вода!

Рассказать всей Вселенной!

Как сообщается в новой работе, исследователи выяснили, что есть высокая вероятность того, что замороженная вода присутствует на лунной поверхности вокруг ее северного и южного полюсов. Это хорошая новость для тех энтузиастов, которые мечтают о возвращении человечества на спутник Земли с миссией большей, чем просто размещение там флага.

«С достаточным количеством замерзшей воды, находящейся на поверхности Луны, жидкая вода, возможно, будет вполне доступна для использования грядущими миссиями. Участники экспедиций смогут проводить не только долгосрочные исследования, но даже основывать на нашем спутнике долговременные базы. Новое открытие говорит о том, что получить доступ к воде проще, чем считалось раньше – ведь ее не нужно будет добывать из-под поверхности», – заявили официальные лица НАСА в минувший понедельник (20 августа).

В заявлении также говорится, что ученые уже имели информацию о том что под поверхностью Луны есть вода. Такие данные были получены в 2009 году в результате эксперимента, в ходе которого в затененную область кратера Кабео врезался выпущенный зондом NASA LCROSS разгонный блок. Этот удар вызвал выброс в космос облако газа и пыли, анализ состава которого показал присутствие в нем воды.

Однако из данных, полученных от LCROSS, было неясно, где именно находился обнаруженный лед. Также оставалось невыясненным сколько породы находилось над ним. И хотя на протяжении многих лет несколько других инструментов выявляли намеки на наличие замерзшей воды непосредственно на лунном грунте, эти находки до нашего времени оставались неподтвержденными.

«Данные, полученные в прошлом, содержали косвенные сведения о возможном существовании открытого льда на лунном южном полюсе, но эта информация могла быть получена и в ходе работы физики других процессов, например, необычных отражающих свойств лунного грунта», – говорится в том же заявлении учеными НАСА.

Некоторые из проведенных наблюдений были выполнены прибором NASA Moon Mineralogy Mapper (M3), который работал на борту индийского корабля Chandrayaan-1.

В новом исследовании группа ученых во главе с Шуаем Ли из Гавайского университета при участии исследователей из Брауновского университета обратила внимание на данные, полученные M3. Они заметили характерную подпись водного льда в спектрах отраженных от Луны сигналов, зафиксированных прибором.

Эта подпись присутствует во многих самых холодных и темных пятнах, находящихся на лунной поверхности, в пределах 20 градусов от обоих полюсов. Однако между полушариями были различия. Оказалось, что лед более всего изобилует на юге, где он встречается главным образом на дне постоянно затененных кратеров. Исследователи заявляют, что поверхностный лед на Луне больше сконцентрирован в пятнах и менее обилен, чем на других каменистых безвоздушных телах, таких как Меркурий и карликовая планета Церера. По данным нового исследования, только около 3,5% лунных «холодных ловушек», по-видимому, могут похвастаться наличием поверхностного водяного льда.

За эту относительную малочисленность льда на Луне может отвечать несколько факторов. Во-первых, ось вращения Луны, возможно, более часто менялась, чем это происходило у Меркурия и Цереры. Это подвергало полярные кратеры Луны более интенсивному воздействию солнечного света. Еще одним объяснением небольшого количество водяного льда может служить версия о метеоритных ударах, более интенсивно разрушивших запасы поверхностного и приповерхностного льда на Луне.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рассказать всей Вселенной!

Нейтронная спектрометрия

Этот метод измеряет количество и энергию нейтронов. Нейтроны появляются в галактическом пространстве и взаимодействуют с лунной поверхностью, где большая часть средней энергии нейтронов поглощается атомами водорода. Таким образом, если мы наблюдаем слабый поток подобных нейтронов во время полета над Луной, мы делаем вывод о наличии там избыточного водорода. Составление карты потока нейтронов служит лишь для обнаружения водорода и не сообщает нам о его форме (атомной, молекулярной или в виде вкраплений в минералах).

Нейтронные спектрометры были и у аппарата «Lunar Prospector» 1998 года, и у современной миссии LRO. Обе миссии обнаружили большие объемы водорода со средним объемом 150 частиц на миллион (для сравнения – в обычных почвах его содержание – 50 частиц на миллион) над широтами в 80 градусе по направлению к полюсам. У нейтронных спектрометров — ненаправленный обзор, и разрешение инструмента примерно равно его высоте над поверхностью Луны (в этом случае – 30-50 км). Следовательно, мы не видим на этих картах деталей меньше 30-50 км. Если допустить, что сигнал нейтрона исходит от водорода во льду — единственном устойчивом веществе в вечно темных кратерах, то спектроскопия говорит о том, что средний весовой процент воды в них – около 1,5 %. К тому же, эти данные не исключают наличие более высоких концентраций в некоторых кратерах, так как при существующих данных они могут быть найдены не только в темных впадинах. Более того, сигнал от нейтрона излучается только из верхних слоев лунной поверхности, что означает невозможность наличие или концентрацию водорода на больших глубинах.

Вода на Луне широко распространена и неподвижна

Новый анализ данных, собранных двумя орбитальными зондами, свидетельствует о том, что вода на Луне распространена по все поверхности и не ограничивается конкретным регионом или типом местности. Похоже, что она присутствует и на дневной и на ночной стороне спутника, хотя и не всегда в легком доступе. Результаты исследования представлены в журнале Nature Geoscience.

«Оказалось, что неважно в какое время суток и на какой участок мы смотрим, сигнатура воды присутствует всегда. Вода буквально прикреплена к лунной поверхности и ее наличие, по-видимому, не зависит от состава породы», – рассказывает Джошуа Бандфилд, ведущий автор исследования из Института космических исследований в Боулдере (США).

Результаты противоречат более ранним исследованиям, которые сообщают, что на полярных широтах Луны содержится больше воды и что ее сигнатура ослабевает в ходе лунного дня (29,5 земных суток). Основываясь на них, некоторые планетологи предположили, что это связано с «движением» молекул воды по лунной поверхности, которое будет продолжаться до тех пор, пока они не попадут в холодные ловушки темных кратеров вблизи северных и южных полюсов нашего спутника. В планетарной науке холодная ловушка – это настолько холодная область, что водяной пар и другие летучие вещества, попавшие в нее, будут оставаться стабильными в течение длительного периода времени (до миллиарда лет).

Однако дискуссии на этот счет продолжаются, и в основном они связаны с методом обнаружения. Исходные данные для предыдущих исследований были получены инструментами дистанционного зондирования, которые измеряли силу солнечного света, отраженного от поверхности Луны. Присутствие воды выдавала определенная спектральная подпись на длинах волн около 3 микрометров, лежащих за пределами видимого света в области инфракрасного излучения.

Но поверхность Луны под действием Солнца может стать достаточно горячей, чтобы излучать собственный свет в инфракрасной области спектра. Задача состоит в том, чтобы распутать эту смесь отраженного и испускаемого света, и для этого исследователи должны иметь очень точную информацию о температуре поверхности.

Чтобы разобраться в этой головоломке, Джошуа Бандфилд и его команда разработали новый подход и создали детальную температурную модель, которая впервые включила в себя информацию от двух спутников: NASA «LRO» и индийского «Chandrayaan-1».

Новые результаты показали, что вода широко распространена в виде OH (гидроксил или водный остаток) и относительно неподвижна. Учитывая то, что гидроксил не способен долго оставаться в свободной форме и является высокоактивным, предпочитая «атаковать» молекулы или образовывать с ними химическую связь, он, скорее всего, заперт в лунных минералах и извлекается из них под действием определенных процессов. Кроме того результаты указывают на то, что вода в любой форме довольно крепко «прикреплена» к поверхности.

«Поставив некоторые ограничения на то, насколько мобильна вода или ОН на Луне, мы можем определить, сколько воды достигает холодных ловушек в полярных регионах», – пояснил Майкл Постон, соавтор исследования из Юго-западного научно-исследовательского института (США).

Исследователи все еще обсуждают, что новые результаты говорят об источнике воды на Луне. Возможно OH и/или H2O создаются солнечным ветром, попадающим на лунную поверхность, хотя команда не исключает, что эти молекулы могут медленно высвобождаться из минералов, в которых они заперты с момента образования спутника.

Радар

Поиск воды рядом с южным полюсом Луны был целью миссии «Клементины» 1994 года (отчет опубликован в 1996 году). Радар не «чувствует» воду напрямую, но ее отражательные свойства используются для обнаружения прозрачного вещества на радиочастотах. Поляризованные радиоволны отправляются на обычную поверхность планеты, а волны с правой поляризацией возвращаются к антенне как волны с левой поляризацией. Соотношение принятой мощности «аналогичного направления» к принятой мощности «противоположного направления» называется соотношением круговой поляризации (СКП). Обычно поверхность Луны обладает СКП меньше единицы (то есть отражается больше волн «противоположного направления», чем «аналогичного»). Однако, два типа целей создают высокое СКП: крайне труднопроходимая, каменистая поверхность и водный лед. К примеру, первый тип может представлять собой очень молодой кратер от недавнего столкновения, создавшего плотное облако угловатых камней (к примеру, Тихо). В качестве примеров водяного льда служат ледяные спутники Юпитера (Европа, Ганимед и Каллисто) и содержимое полярных кратеров Меркурия, которые, вероятно, заполнены, в основном, водяным льдом.

Аппарат «Клементина» обнаружил высокое СКП во время пролета над южным полюсом Луны. Однако из-за неоднозначности СКП этот результат не был принят всеми, как доказательство наличия водяного льда. В 2008 году индийский аппарат «Чандраян-1» вывел на орбиту радар «Mini-SAR», служащий для составления карты лунных полюсов на основе полученных фотографий. Он обнаружил свидетельства существования на обоих полюсах аномальных кратеров с высоким СКП внутри (из-за вечной тьмы) и низким СКП на краях (из-за частичного проникновения солнечного света). Это обозначало, что на дне глубоких темных кратеров (холодных ловушек) может содержаться водный лед, возможно – в концентрациях в десятые доли процента. Схожие результаты получила модернизированная версия радара “Mini-RF” американской миссии «LRO».

И «Чандраян», и «LRO» дали моностатичные изображения, что обозначало, что передатчик освещал поверхность темных кратеров неподалеку от приемника. Следовательно, эти изображения всегда были нуль-фазовыми (линии прямой видимости). Если бы мы могли посмотреть за пределы нуль-фазы (то есть передавать в одном месте и принимать в другом при помощи бистатического радиолокатора), мы могли бы измерить зависимость СКП от фазового угла. Камень и лед обладают очень разной реакцией на изменение угла. Каменные поверхности обладают очень небольшим коэффициентом изменения фазы, в то время как лед показывает резкий и узкий (несколько градусов) пик, направленный к нулю.

Одной из причин, по которой мы интерпретировали данные с «Клементины» (она была бистатической станцией – передача с корабля и прием на Земле), как подтверждение наличия льда был его узкий пик усиления СКП около точки нуль-фазы. Недавно радар «Mini-RF» от «LRO» провел бистатические измерения кратера Кабеус (место падения аппарата «LCROSS» в 2009 году). Огромная радиоантенна в Аресибо (Пуэрто-Рико) использовалась как передатчик, а эхо принималось на борт космического аппарата «LRO». Результаты визуализации бистатического радара показали сильные пики на частотной кривой, схожие с теми, что были у корабля «Клементины» в 1994 году, что указывало на наличие значительных залежей льда, возможно – с концентрацией в несколько десятых долей весового процента. Радар отбирал образцы на глубине в 10-20 раз больше длины волны, в зависимости от плотности реголита. И «Клементина», и «Mini-RF» использовали S-диапазон (около 2380 МГц или волна длиной в 12,6 см) радиоволн, и, следовательно, образцы брались из слоя лунной поверхности глубиной в 2-3 метра.

Почему приливы и отливы случаются дважды в сутки?

В результате описанного выше явления, приливная волна проходит по водной поверхности планеты одновременно с двух противоположных сторон:

• с одной – под силой притяжения Луны;
• с другой (уступающей в интенсивности процесса) – центробежной силой, связанной с вращением Земли вокруг общего центра масс.

По этой причине приливов и следующих за ними отливов происходит два, на противоположных частях земного шара. Водная поверхность планеты, в связи с особенностями воздействия гравитации спутника, приобретает форму эллипса, длинной осью повернутого к Луне. Частота наступления большой воды соответствует лунным циклам.

Приливные волны вызываются двумя основными факторами:

• суточным вращением планеты;
• форма Земли, близкая к шару, превращается в эллипсоид за счет деформации водной поверхности.

Если убрать одно из перечисленных условий, приливы и отливы исчезнут. Дополнительное влияние оказывают океанские течения, лунные фазы и другие, менее значительные факторы. Что, кроме Луны, влияет на силу приливов и отливов

Кроме Луны приливы и отливы вызывает Солнце. Но высота волны от воздействия центрального тела Солнечной системы ничтожно мало и проявляется незначительно. Светило притягивает нашу планету с силой в двести раз превышающей гравитацию Луны. Но поскольку расстояния от Земли до этих небесных тел несопоставимы, на величину воздействия решающее значение оказывает неоднородность структуры гравитационного поля. С удалением от притягивающего объекта сила уменьшается по мере увеличения взаимной дистанции между объектами.

Интересно: Какая была продолжительность суток и года во времена динозавров? Описание, фото и видео

Но если Луна и Солнце располагаются на одной линии по отношению к Земле, приливы и отливы происходят с большей силой, чем когда два этих тела находятся под углом девяносто градусов к нашей планете, друг относительно друга. Научные термины таких приливных волн соответственно:

• квадратурные – наименьшие;
• сигизийные – при полной и новой Луне.

Интересный факт: Солнце усиливает силу гравитации нашего спутника, увеличивая приливную волну.

Наибольшие приливы на планете происходят в широтах, ближе других расположенных к нашей небесной соседке. Высота приливных волн в бухте Фанди на атлантическом побережье Канады достигает восемнадцати метров, в редкие дни снижаясь до пятнадцати. В России наибольшие приливы отмечаются на Дальнем Востоке – побережье Охотского моря.

Приливные явления характеризуются большими масштабами в океанах, по сравнению с замкнутыми водоемами небольших размеров. В Балтийском и Черном море приливы практически незаметны.

Кроме влияния на водную поверхность в океанах, данные природные явления вызывают сход воды из рек и в обратном направлении, создавая приливно-отливные течения.

Приливы и отливы – удивительное явление природы, объясняемое гравитационным притяжением земного спутника и частично – Солнца. Приливные волны отмечаются дважды в сутки за счет центробежной силы, в дополнение к притяжению Луны, вызывающей обратный горб на обратной стороне планеты.

Отражательная способность лазера и УФ

И лазерный высотомер (LOLA), и “LAMP” могут «смотреть» в темные полярные кратеры, но первый – за счет освещения темных областей собственным импульсом, а второй – за счет использования галактического ультрафиолета для создания изображения дна кратера. Оба прибора нашли свидетельства существования «замороженной» воды в некоторых районах у полюса. «LOLA» обнаружил, что дно полярных темных кратеров немного, но «ярче» (обладает большим альбедо), чем дно других кратеров. Это было интерпретировано, как доказательство наличия замороженной воды. Прямые наблюдения за альбедо кратеров близ Южного полюса посредством высокомощного УФ-излучения проводились непосредственно «LAMP». Оба метода использовали в качестве образца лишь микрон поверхности или около того, поэтому распространенность не может быть больше нескольких десятых долей процента.

Спектры в ближней ИК-области

В 2009 году с трех космических аппаратов: «Чандраян-1», «Кассини» и «EPOXI» поступили данные о поглощении около 3 микронов (3000 нм) лунной поверхности, начиная с 60 градуса широты и растущем при приближении к полюсам. Этот спектральный диапазон был создан гидроксогруппой и водой. Поглощение распространено в этой части Луны (миллионы км2) и, несмотря на то, что оно распространяется лишь на микроны в глубину, оно потенциально может быть крупнейшим хранилищем воды на Луне. Более того, это вещество в зависимости от положения в пространстве и времени суток обладает разной концентрацией, становясь тверже в более холодное утро и сумерки по местному времени. Концентрация воды неизвестна, но обоснованной цифрой считается около тысячи частиц на миллион (0,01 весового %).

Есть ли вода на Луне

Используя данные, полученные с помощью телескопов обсерватории Аресибо, а также информацию, собранную космическим аппаратом NASA Messenger, ученые нашли доказательства в пользу присутствия льда на Меркурии. На борту аппарата Messenger находился прибор, позволяющий измерять высоту рельефа. С помощью инструмента выяснилось, что кратеры на планете становятся заметно менее глубокими ближе к ее полюсам, находящимся в тени. Ученые связали это с возможным накоплением выпадающих в осадок веществ, в том числе и воды, которая могла сформировать залежи льда.

Но причем здесь Луна? Дело в том, что, если можно так выразиться, способ обращения к Солнцу у двух этих небесных тел очень похож. И даже несмотря на то, что Меркурий находится к центру нашей солнечной системы гораздо ближе, из-за отсутствия атмосферы (как и на Луне) температура на поверхности планеты в более затененных местах гораздо ниже. К таким местам относятся южные полюса Меркурия и Луны. И если в области Южного полюса первой планеты солнечной системы может быть много льда, то почему устройство земного спутника должно быть иным?

Это интересно: Что будет, если Луна исчезнет?

Далее эксперты изучили 12 000 лунных кратеров, расположенных вблизи Южного полюса. Выяснилось, что в большей части этих кратеров имелись признаки того, что они содержат толстые ледяные отложения. Согласно предварительным подсчетам, в таких кратерах может быть до 100 миллионов кубических тонн льда, что вдвое превышает цифру, основанную на данных предыдущих исследований.

Вывод

Итак, сколько же воды на полюсах Луны? У нас еще нет точного ответа, но после оценки объемов, увиденных на каждом полюсе (и учета метода и глубины местонахождения образцов), я предполагаю, что на каждом полюсе – от 100 миллионов до миллиарда метрических тон. Реальный объем льда в том или ином месте, его физическое состояние, глубина залегания и другие особенности все еще предстоит определить. Хотя многие орбитальные измерения будут стоить дорого, крайне важно в будущем иметь инструменты на самой поверхности Луны, на полюсах, чтобы сделать детальные съемки местности. Эти данные — предельно важны для формулирования удачных инженерных решений о расположении лунных аванпостов и подходе к сбору воды на Луне для создания новых возможностей для космических полетов и колоний.

Особенности взаимодействия Земли и Луны

Сила, вызывающая приливы и отливы – гравитация. На Землю действуют два тела, способных вызывать приливные волны – Луна и Солнце. Не смотря на то, что сила притяжения Солнца в двести раз превышает таковую у Луны, именно наша ближайшая соседка – основная причина большой и малой воды (как принято называть эти явления).

Проходя над поверхностью океана, Луна притягивает часть воды, создавая своеобразный «горб». Непосредственно посреди водной глади данное явление почти не прослеживается. Но на линии побережья вода отходит от берегов, вызывая отлив.

Продолжая вращение, Луна перемещается над сушей. Освобожденная вода возвращается под действием силы тяжести планеты, обрушиваясь на берег. С противоположной стороны, вода привлекается гравитацией луны на побережье, вызывая аналогичное явление.

Но все гораздо сложнее, чем принято считать. Дело в том, что наш спутник не просто вращается вокруг Земли, а ответно влияет на траекторию перемещения нашей планеты. Два этих небесных тела – сложная система двух взаимодействующих объектов, вращающихся вокруг единой условной точки.

Интересно: Самая длинная река в мире — Амазонка. Интересные факты, описание, фото и видео

Указанный центр масс расположен внутри земной поверхности на расстоянии 4,7 тыс. км от центра планеты.