Новые доказательства того, что под полюсами Луны скрывается вода

Мы склонны думать о Луне как о холодном, пыльном камне, но на самом деле ее поверхность может стать довольно горячей в течение лунного дня. Насколько горячей? Оказывается, ответ может сильно отличаться на очень коротком расстоянии.

Когда миссия «Чандраян-3» приземлится на Луну в августе 2023 года, одним из первых ее действий станет измерение температуры поверхности. Результаты, подробно описанные в исследовании, опубликованном 6 марта в журнале Communications Earth and Environment, оказались одновременно неожиданными и интригующими. Кроме того, они открывают заманчивые перспективы для самого большого лунного вопроса: сколько там воды?

В ходе эксперимента по изучению теплофизических характеристик поверхности Чандры (ChaSTE) космический аппарат провел первые измерения такого рода со времен миссий «Аполлон» более полувека назад. В то время как «Аполлон» совершил посадку вблизи экватора Луны, «Чандраян» приземлился на широте 69 градусов северной широты - далеко в неизученных ранее полярных областях Луны.

Ученые ожидали, что температура поверхности в этой части Луны будет в районе 330 градусов Кельвина (около 57 градусов Цельсия или 134 градусов по Фаренгейту). Место посадки оказалось значительно жарче: палящие 355ºK (82°C или чуть меньше 180°F), что по крайней мере на 20ºK выше прогноза. Однако в метре от него температура поверхности составляла всего 332ºK (59°C или 138°F). Это все еще жарко, но гораздо меньше, чем в месте посадки, и больше соответствует ожиданиям ученых.

Такая резкая разница на расстоянии чуть более трех футов объясняется одним простым фактом. Чандраян-3 оказался на неглубоком склоне, под углом около 6° к экватору. Более холодная область, между тем, была практически плоской. Трудно поверить, что эта относительно небольшая разница в наклоне может объяснить такую большую разницу в температуре. По словам К. Дурги Прасада, соавтора исследования и преподавателя Отдела планетарных наук Департамента космоса правительства Индии, измерения на самом деле иллюстрируют два важных факта о Луне.

Первый заключается в том, что лунная поверхность покрыта тонким слоем пыли и фрагментов горных пород, известным как «слой пуха». Этот слой характеризуется «очень низкой теплопроводностью и высокой пористостью», - рассказывает Прасад в интервью Popular Science. Другими словами, он исключительно плохо проводит тепло. Такая плохая теплопроводность означает, что тепло не распространяется по поверхности - если участок земли горячий, он остается горячим, даже если он находится рядом с относительно холодным участком.

По словам Прасада, нагревается ли участок земли, зависит от «падающего солнечного потока», то есть от того, сколько солнечного света на него падает. Учитывая отсутствие на Луне деревьев или других источников тени, ключевым фактором здесь является рельеф. Если остальная местность находится на одном уровне, то участок земли, наклоненный в сторону от Солнца, будет холоднее, чем тот, который наклонен в сторону Солнца. Не менее важно и то, что с увеличением угла наклона увеличивается и его влияние на падающий солнечный поток.

Последний эффект зависит от широты. По мере удаления от экватора угол, под которым солнечные лучи падают на Луну, становится все более косым, а значит, и степень влияния данного изменения угла склона на количество солнечного света, получаемого этим склоном. На полюсах Луны даже небольшие вариации рельефа могут привести к значительным различиям в температуре поверхности, что наглядно продемонстрировали измерения места посадки «Чандраяна-3».

Но как все это связано с количеством воды, которая может или не может присутствовать на Луне? По мнению Прасада, есть два фактора, которые создали большую температуру в этих измерениях - плохая теплопроводность поверхности и увеличение чувствительности к топографическим изменениям вдали от экватора. Оба эти фактора также влияют на температуру подповерхностного слоя Луны, который играет большую роль в определении способности Луны накапливать и удерживать воду.

Плохая теплопроводность ворсистого слоя также означает, что тепло с трудом распространяется вниз, в лунный реголит. Недостаток тепла создает значительную разницу между температурой поверхности и температурой породы, находящейся на глубине всего нескольких дюймов. Толщина слоя пуха в данной точке является доминирующим фактором, определяющим разницу между поверхностной и подповерхностной температурами.

«Из-за низкой теплопроводности поверхностного слоя тепло... распространяется в недра очень медленно, [и] между поверхностной и подповерхностной температурами наблюдается большая разница температур», - говорит Прасад. „С другой стороны, если теплопроводность высока, тепло распространяется в недра быстрее, что приводит к [относительно небольшой] разнице температур“.