NASA-undersøgelse fremhæver vigtigheden af ​​overfladeskygger i månevandspuslespil

Skyggerne, der kastes af Månens overflades ruhed, skaber små kolde pletter, hvor vandis kan samle sig selv under den barske månedag.

Forskere er overbeviste om, at vandis kan findes ved Månens poler inde i permanent skyggede kratere – med andre ord, kratere, der aldrig modtager sollys. Men observationer viser, at vandis også er til stede over meget af månens overflade, selv i dagtimerne. Dette er et puslespil:Tidligere computermodeller foreslog, at al vandis, der dannes i løbet af månenatten, hurtigt skulle brænde af, når Solen klatrer op over hovedet.

"For over et årti siden, rumfartøjer opdagede den mulige tilstedeværelse af vand på Månens overflade på dagsiden, og dette blev bekræftet af NASA's Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy [SOFIA] i 2020, " sagde Björn Davidsson, en videnskabsmand ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien. "Disse observationer var, i første omgang, kontraintuitivt:Vand bør ikke overleve i det barske miljø. Dette udfordrer vores forståelse af månens overflade og rejser spændende spørgsmål om, hvordan flygtige, som vandis, kan overleve på luftløse kroppe."

I en ny undersøgelse, Davidsson og medforfatter Sona Hosseini, en forsknings- og instrumentforsker ved JPL, tyder på, at skygger skabt af "ruheden" af månens overflade giver tilflugtssted for vandis, gør det muligt at danne sig som overfladefrost langt fra Månens poler. De forklarer også, hvordan Månens exosfære (de spinkle gasser, der fungerer som en tynd atmosfære) kan have en væsentlig rolle at spille i dette puslespil.

Vandfælder og frostlommer

Mange computermodeller forenkler månens overflade, gør det fladt og uden karakteristika. Som resultat, det antages ofte, at overfladen langt fra polerne opvarmes ensartet i løbet af månens dagtid, hvilket ville gøre det umuligt for vandis at blive på den solbeskinnede overflade længe.

Så hvordan kan det være, at vand bliver opdaget på Månen ud over permanent skyggede områder? En forklaring på detektionen er, at vandmolekyler kan være fanget inde i klippen eller stødglasset skabt af den utrolige varme og tryk fra meteoritnedslag. Sammensmeltet i disse materialer, som denne hypotese antyder, vandet kan forblive på overfladen, selv når det opvarmes af Solen, mens det skaber det signal, der blev detekteret af SOFIA.

Men et problem med denne idé er, at observationer af månens overflade viser, at mængden af ​​vand falder før middag (når sollys er på sit højeste) og stiger om eftermiddagen. Dette indikerer, at vandet kan bevæge sig fra et sted til et andet gennem månedagen, hvilket ville være umuligt, hvis de er fanget inde i månens sten eller slagglas.

Davidsson og Hosseini reviderede computermodellen for at tage højde for overfladeruheden, der var synlig på billeder fra Apollo-missionerne fra 1969 til 1972, som viser en måneoverflade bestrøet med kampesten og pocket med kratere, skabe masser af skyggefulde områder selv nær middagstid. Ved at indregne denne overfladeruhed i deres computermodeller, Davidsson og Hosseini forklarer, hvordan det er muligt for frost at danne sig i de små skygger, og hvorfor fordelingen af ​​vand ændrer sig i løbet af dagen.

Fordi der ikke er nogen tyk atmosfære til at fordele varme rundt i overfladen, ekstremt koldt, skyggefulde områder, hvor temperaturen kan falde til omkring minus 350 grader Fahrenheit (minus 210 grader Celsius), kan nærme varme områder udsat for solen, hvor temperaturen kan nå så højt som 240 Fahrenheit (120 Celsius).

Mens solen sporer gennem månedagen, overfladefrosten, der kan samle sig i disse kulde, skraverede områder udsættes langsomt for sollys og cykler ind i Månens exosfære. Vandmolekylerne fryser derefter på overfladen igen, genakkumuleres som frost i anden kulde, skyggefulde steder.

"Frost er langt mere mobilt end indespærret vand, " sagde Davidsson. "Derfor, denne model giver en ny mekanisme, der forklarer, hvordan vand bevæger sig mellem månens overflade og den tynde måneatmosfære."

Et nærmere kig

Selvom dette ikke er den første undersøgelse, der overvejer overfladeruhed ved beregning af månens overfladetemperaturer, tidligere arbejde tog ikke højde for, hvordan skygger ville påvirke vandmolekylernes evne til at forblive på overfladen i dagtimerne som frost. Denne nye undersøgelse er vigtig, fordi den hjælper os til bedre at forstå, hvordan månevand frigives til, og fjernet fra, månens eksosfære.

"Forståelse af vand som en ressource er afgørende for NASA og kommercielle bestræbelser på fremtidig menneskelig måneudforskning, Hosseini sagde. "Hvis vand er tilgængeligt i form af frost i solbeskinnede områder af Månen, fremtidige opdagelsesrejsende kan bruge det som en ressource til brændstof og drikkevand. Men først, vi skal finde ud af, hvordan exosfæren og overfladen interagerer, og hvilken rolle det spiller i cyklussen."

For at teste denne teori, Hosseini leder et team til at udvikle ultra-miniature sensorer til at måle de svage signaler fra vandis. Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer (HOLMS) udvikles til at blive brugt på små stationære landere eller autonome rovere – som JPLs Autonomous Pop-Up Flat Folding Explorer Robot (A-PUFFER), for eksempel - der kan blive sendt til Månen i fremtiden for at foretage direkte målinger af hydroxyl (et molekyle, der indeholder et brintatom og et oxygenatom).

Hydroxyl, som er en molekylær fætter til vand (et molekyle med to brintatomer og et oxygenatom), kan tjene som en indikator for, hvor meget vand der kan være til stede i exosfæren. Både vand og hydroxyl kunne dannes ved meteoritnedslag og gennem solvindpartikler, der rammer månens overflade, så måling af tilstedeværelsen af ​​disse molekyler i Månens exosfære kan afsløre, hvor meget vand der bliver skabt, samtidig med at det viser, hvordan det bevæger sig fra sted til sted. Men tid er af afgørende betydning for at foretage disse målinger.

"Den nuværende måneudforskning af flere nationer og private virksomheder indikerer betydelige kunstige ændringer i månemiljøet i den nærmeste fremtid, " sagde Hosseini. "Hvis denne tendens fortsætter, vi vil miste muligheden for at forstå det naturlige månemiljø, især vandet, der cykler gennem Månens uberørte eksosfære. Følgelig, den avancerede udvikling af ultrakompakt, højfølsomme instrumenter er af afgørende betydning og haster."

Forskerne påpeger, at denne nye undersøgelse kan hjælpe os med bedre at forstå den rolle, skygger spiller i akkumuleringen af ​​vandis og gasmolekyler bag Månen, såsom på Mars eller endda på partiklerne i Saturns ringe.

Studiet, med titlen "Implikationer af overfladeruhed i modeller af vanddesorption på Månen", blev offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society den 2. august 2021.