Лунотрясения помогут обнаружить скрытые запасы льда под поверхностью Луны
Поиск воды на Луне может оказаться значительно проще, чем считалось ранее. Международная группа геологов из Университета Мэриленда, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Гавайского университета показала, что подповерхностные запасы водяного льда можно обнаруживать с помощью сейсмических волн — тех же колебаний, которые используются для изучения землетрясений на Земле.
Работа появилась в особенно важный момент, поскольку NASA планирует в рамках программы «Артемида» отправить астронавтов к южному полюсу Луны уже в 2028 году. Именно в постоянно затенённых кратерах этого региона, где температура остаётся чрезвычайно низкой на протяжении миллиардов лет, предположительно находятся крупнейшие залежи водяного льда. Этот ресурс считается одним из самых ценных для будущих долговременных экспедиций: после плавления и очистки лёд может стать источником питьевой воды, а при электролизе из него можно получить кислород для дыхания и водород для производства ракетного топлива. Наличие собственных запасов воды позволит существенно сократить объём грузов, которые придётся доставлять с Земли.
По словам соавтора исследования, доцента кафедры геологии, экологии и планетологии Университета Мэриленда Николаса Шмерра, для будущих исследователей Луны крайне важно определить, какие местные ресурсы можно использовать непосредственно на месте. Поскольку экипажи будут ограничены тем, что смогут привезти с собой, любые доступные материалы помогут обеспечить длительное пребывание людей на поверхности и создание постоянных лунных баз.
Сегодня точное количество водяного льда на Луне и его расположение остаются неизвестными. Орбитальные аппараты способны исследовать только верхний слой лунного реголита, тогда как основные залежи могут находиться значительно глубже. Именно эту проблему и призван решить новый метод.
Исследователи исходили из того, что грунт, содержащий лёд, и сухой реголит по-разному реагируют на прохождение сейсмических волн. Лёд делает материал более жёстким, благодаря чему колебания распространяются в два-три раза быстрее, чем через сухой грунт. Кроме того, насыщенные льдом участки способны отражать часть сейсмической энергии, создавая своеобразное эхо. По мнению авторов работы, установленный на Луне сейсмометр сможет зарегистрировать эти различия и не только подтвердить наличие льда, но и приблизительно оценить его количество.
Чтобы проверить свою гипотезу, учёные использовали сразу несколько независимых подходов. Руководитель исследования Харрисон Лизабет, специалист по физике горных пород из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, заморозил вулканическую породу из Аризоны, которая после измельчения по своим свойствам близка к лунному реголиту. Затем с помощью рентгеновского излучения он проследил, каким образом лёд заполняет мельчайшие промежутки между отдельными частицами грунта.
Соавтор исследования Мэттью Зиглер из Гавайского университета построил подробные температурные модели южного полюса Луны и определил кратеры, температура которых оставалась достаточно низкой для сохранения льда на протяжении миллиардов лет. В свою очередь Николас Шмерр выполнил компьютерное моделирование небольших лунотрясений и их распространения через подповерхностные ледяные отложения. Во всех моделях лёд оставлял хорошо различимые и измеримые следы в сейсмических данных.
Помимо практической пользы для будущих экспедиций, подобные исследования имеют большое научное значение. Постоянно затенённые кратеры Луны представляют собой естественные «морозильники», в которых вода и другие летучие вещества могли сохраняться практически без изменений миллиарды лет. Поскольку возраст большинства лунных пород достигает примерно 4 миллиардов лет, изучение этого льда способно дать уникальную информацию о ранней истории Солнечной системы.
По словам Николаса Шмерра, Луна стала свидетелем важнейших событий, связанных с появлением воды во внутренней части Солнечной системы. Анализ древних ледяных отложений может помочь понять, каким образом вода распространялась между планетами и как в конечном итоге сформировались земные океаны.
Проверить выводы исследователей удастся уже в ближайшие годы. Китайская миссия «Чанъэ-7», которая должна совершить посадку в районе кратера Шеклтон в конце 2026 года, доставит на поверхность Луны сейсмометр. В окрестностях этого кратера предполагается наличие многочисленных залежей льда. Позднее, в 2028 году, астронавты программы «Артемида» могут установить на Луне станцию Lunar Environmental Monitoring Station, предназначенную в том числе для проведения сейсмических исследований.
Учёные подчёркивают, что их работа создаёт основу для будущих наблюдений. До настоящего времени никто ещё не проводил прямых измерений лунного льда с помощью сейсмических методов, однако теперь исследователи получили чёткое представление о том, какие сигналы следует искать. Это, по их мнению, является первым важным шагом к точному картированию запасов воды на Луне.
Исследование в журнале Science Advances.