I pennacchi d’impatto del Lunar CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) e del suo stadio del razzo Centaur nel cratere Cabeus vicino al polo sud della Luna il 9 ottobre 2009 hanno mostrato la firma spettrale dell’idrossile, un indicatore chiave della presenza di ghiaccio d’acqua il fondo del cratere (1). L’analisi dei risultati indica concentrazioni di circa il 6% di acqua nell’area dell’impatto, inclusi cristalli di ghiaccio quasi puri in alcuni punti. L’esperimento indiano Chandrayaan-1 Moon Mineralogy Mapper ha mostrato tracce di idrossili a bassa concentrazione su gran parte della superficie lunare, non solo nei crateri permanentemente in ombra (2), e l’esperimento Mini-SAR ha indicato possibili grandi depositi di ghiaccio d’acqua nella parte settentrionale della Luna:
La discussione che segue è storica, basata principalmente sui risultati delle missioni Clementine e Lunar Prospector, la nostra visione dell’acqua sulla Luna cambia continuamente con i risultati del Lunar Reconnaissance Orbiter e le analisi dei campioni lunari sulla Terra. Il 5 marzo 1998 è stato annunciato che i dati restituiti dalla sonda Lunar Prospector indicavano che il ghiaccio d’acqua potrebbe essere presente sia ai poli lunari nord che a quelli sud, in accordo con le interpretazioni dei risultati Clementine per il polo sud riportati nel novembre 1996. Il ghiaccio originariamente sembrava essere mescolato con la regolite lunare (rocce superficiali, suolo e polvere) a basse concentrazioni stimate prudenzialmente tra lo 0,3 e l’1%. Dati successivi del Lunar Prospector rilevati per un periodo più lungo hanno indicato la possibile presenza di depositi di ghiaccio d’acqua discreti, confinati, quasi puri, sepolti sotto fino a 40 centimetri (18 pollici) di regolite secca, con la traccia dell’acqua più forte sulla Luna. polo nord che al polo sud (4). Si pensava che il ghiaccio si estendesse su un’area compresa tra 10.000 e 50.000 km quadrati (da 3.600 a 18.000 miglia quadrate) vicino al polo nord e da 5.000 a 20.000 km quadrati (da 1.800 a 7.200 miglia quadrate) attorno al polo sud, ma gli ultimi risultati mostrano che l’acqua potrebbe essere più concentrata in aree localizzate (circa 1850 km quadrati, o 650 miglia quadrate, a ciascun polo) piuttosto che essere distribuita su queste grandi regioni. La massa totale stimata del ghiaccio è di 6 trilioni di kg (6,6 miliardi di tonnellate). Le incertezze nei modelli indicano che questa stima potrebbe essere notevolmente errata.
Come è stato originariamente rilevato il ghiaccio?
Il Lunar Prospector, una missione Discovery della NASA, è stato lanciato nell’orbita lunare nel gennaio 1998. Sul Lunar Prospector è incluso un esperimento chiamato Neutron Spectrometer. Questo esperimento è progettato per rilevare piccole quantità di ghiaccio d’acqua a un livello inferiore allo 0,01%. Lo strumento si concentrò sulle aree vicine ai poli lunari dove si pensava potessero trovarsi questi depositi di ghiaccio d’acqua. Lo spettrometro di neutroni cerca i cosiddetti neutroni “lenti” (o termici) e “intermedi” (o epitermici) che risultano dalle collisioni di normali neutroni “veloci” con atomi di idrogeno. Una quantità significativa di idrogeno indicherebbe l’esistenza dell’acqua. I dati mostrano una firma distintiva del 4,6% sulla regione del polo nord e una firma del 3,0% su quella meridionale, una forte indicazione che l’acqua è presente in entrambe queste aree. Lo strumento è in grado di rilevare l’acqua fino ad una profondità di circa mezzo metro.
Come può sopravvivere il ghiaccio sulla Luna?
La Luna non ha atmosfera, qualsiasi sostanza sulla superficie lunare è esposta direttamente al vuoto. Per il ghiaccio d’acqua, ciò significa che sublimerà rapidamente direttamente in vapore acqueo e fuggirà nello spazio, poiché la bassa gravità della Luna non può trattenere il gas per un tempo apprezzabile. Nel corso di un giorno lunare (~29 giorni terrestri), tutte le regioni della Luna sono esposte alla luce solare e la temperatura sulla Luna esposta alla luce solare diretta raggiunge circa 395 K (395 Kelvin, che equivale a circa 250 gradi sopra lo zero). F). Quindi qualsiasi ghiaccio esposto alla luce solare anche per un breve periodo andrebbe perso. L’unico modo possibile per l’esistenza del ghiaccio sulla Luna sarebbe in un’area permanentemente ombreggiata.
[Topografia del Polo Sud – Bacino di Aitken]
L’esperimento di imaging Clementine ha mostrato che tali aree permanentemente ombreggiate esistono sul fondo di profondi crateri vicino al polo sud della Luna. In effetti, sembra che circa 6.000-15.000 chilometri quadrati (da 2.300 a 5.800 miglia quadrate) di area intorno al polo sud siano permanentemente in ombra. L’area permanentemente in ombra vicino al polo nord appare considerevolmente inferiore nelle immagini di Clementine, ma i risultati del Lunar Prospector mostrano un’area di apporto d’acqua molto più ampia al polo nord. Gran parte dell’area intorno al polo sud si trova all’interno del bacino del Polo Sud-Aitken (mostrato a sinistra in blu su un’immagine della topografia lunare), un gigantesco cratere da impatto di 2500 km (1550 miglia) di diametro e 12 km di profondità nel punto più basso. Sul fondo di questo bacino esistono molti crateri più piccoli. Poiché si trovano in questo bacino, i pavimenti di molti di questi crateri non sono mai esposti alla luce solare. All’interno di questi crateri le temperature non supererebbero mai i 100 K (280 gradi sotto zero F) (5). Qualsiasi ghiaccio d’acqua sul fondo del cratere potrebbe probabilmente esistere per miliardi di anni a queste temperature.
Da dove viene il ghiaccio?
La superficie della Luna è continuamente bombardata da meteoriti e micrometeoriti. Molti, se non la maggior parte, di questi corpi di simulazione contengono ghiaccio d’acqua, e i crateri lunari mostrano che molti di questi erano oggetti molto grandi. Tutto il ghiaccio sopravvissuto all’impatto verrebbe sparso sulla superficie lunare. La maggior parte verrebbe rapidamente vaporizzata dalla luce solare e persa nello spazio, ma alcuni finirebbero all’interno dei crateri permanentemente in ombra, entrando direttamente nel cratere o migrando sulla superficie come singole molecole in movimento casuale che raggiungerebbero i crateri e lì si congelerebbero. Una volta all’interno del cratere, il ghiaccio sarebbe relativamente stabile, quindi col tempo il ghiaccio si accumulerebbe in queste “trappole fredde” e verrebbe sepolto in una certa misura dalla formazione di meteoriti. Tale possibilità fu suggerita già nel 1961 (6). Tuttavia, la perdita di ghiaccio dovuta alla fotodissociazione, allo sputtering del vento solare e alla formazione di micrometeoroidi non è ben quantificata (7).
Esistono altre prove dell’esistenza del ghiaccio?
In un articolo della rivista Science (8) del 29 novembre 1996, è stato annunciato che l’interpretazione dei dati di un esperimento sulla navicella spaziale Clementine suggeriva la possibilità della presenza di ghiaccio sulla superficie della Luna. Si credeva che il ghiaccio si trovasse sul fondo di un cratere permanentemente in ombra vicino al polo sud della Luna (al centro del mosaico Clementino mostrato in alto nella pagina). Si riteneva inoltre probabile che nel deposito fossero presenti altre sostanze volatili congelate, come il metano. Il volume stimato del deposito era compreso tra 60.000 e 120.000 metri cubi. Ciò sarebbe paragonabile a un piccolo lago in termini di dimensioni, quattro campi da calcio in superficie e 16 piedi di profondità. Questa stima era tuttavia molto incerta a causa della natura dei dati.
Uno dei problemi nello studio di un’area permanentemente in ombra è che non è possibile ottenere immagini. La navicella spaziale Clementine ha cercato il ghiaccio utilizzando un’indagine nota come esperimento del radar bistatico. Fondamentalmente, questo esperimento consisteva nel far trasmettere alla sonda Clementine un segnale radio in banda S attraverso la sua antenna ad alto guadagno verso un bersaglio lunare. I segnali si riflettevano sulla Luna e venivano ricevuti da un’antenna DSN (Deep Space Network) di 70 metri sulla Terra. I volatili congelati come il ghiaccio d’acqua riflettono molto più le onde radio della banda S rispetto alle rocce lunari. Anche le onde radio hanno caratteristiche diverse quando vengono riflesse dal ghiaccio rispetto alla roccia silicatica. Un’analisi dei segnali restituiti dall’orbita 234 ha mostrato caratteristiche di riflessione suggestive di ghiaccio d’acqua per le aree permanentemente in ombra vicino al polo sud. Le riflessioni provenienti da regioni che non sono permanentemente in ombra non mostrano queste caratteristiche. È possibile che altri meccanismi di diffusione possano essere responsabili di questo risultato, ma l’interpretazione dei ritorni radio e il fatto che siano associati solo alle regioni permanentemente in ombra sembrano indicare che il ghiaccio d’acqua sia la possibilità più probabile. Tuttavia, gli studi del radiotelescopio di Arecibo utilizzando la stessa radiofrequenza di Clementine hanno mostrato modelli di riflessione simili da aree che non sono permanentemente in ombra. Queste riflessioni sono state interpretate come dovute a superfici ruvide, ed è stato suggerito che i risultati di Clementine potrebbero essere dovuti anche alla ruvidità, piuttosto che al ghiaccio d’acqua.
Parametri dell’esperimento radar bistatico
9-10 aprile 1994
Trasmissione: banda S 2,273 GHz (lunghezza d’onda 13,19 cm)
Polarizzazione: circolare destra (RCP)
Potenza segnale: 6 Watt
Inclinazione assiale: da 4,5 a 5,5 gradi (Luna-Terra)
Orbite utilizzate: 234 e 235
Perché il ghiaccio sulla Luna è importante?
Il ghiaccio potrebbe rappresentare materiale cometario o asteroide relativamente incontaminato che esiste sulla Luna da milioni o miliardi di anni. Una missione robotica di ritorno dei campioni potrebbe riportare il ghiaccio sulla Terra per lo studio, magari seguita da una missione umana per un campionamento più dettagliato. Il semplice fatto che il ghiaccio sia lì aiuterà gli scienziati a limitare i modelli degli impatti sulla superficie lunare e gli effetti della formazione di meteoriti, della fotodissociazione e dello sputtering del vento solare sulla Luna. Al di là degli aspetti scientificamente intriganti, i depositi di ghiaccio sulla Luna avrebbero molti aspetti pratici per la futura esplorazione lunare con equipaggio. Non esiste altra fonte d’acqua sulla Luna e spedire l’acqua sulla Luna per l’uso da parte degli esseri umani sarebbe estremamente costoso (da 2.000 a 20.000 dollari al kg). L’acqua lunare potrebbe anche servire come fonte di ossigeno, un altro materiale vitale non facilmente reperibile sulla Luna, e di idrogeno, che potrebbe essere utilizzato come carburante per missili. Paul Spudis, uno degli scienziati che hanno preso parte allo studio Clementine, ha definito il deposito di ghiaccio lunare forse “il pezzo di proprietà immobiliare più prezioso del sistema solare”. Sembra che oltre alle zone permanentemente in ombra ci siano alcune zone più alte come i bordi dei crateri che sono permanentemente esposti alla luce solare e potrebbero servire come fonte di energia per future missioni.
Riferimenti
References
1) Detection of Water in the LCROSS Ejecta Plume, Colaprete et al., Science v. 330, p. 463, 2010
2) Character and spatial distribution of OH/H2O on the surface of the Moon seen by M3 on Chandrayaan-1, Pieters et al., Science v. 326, p. 568, 2009.
3) Initial results for the north pole of the Moon from Mini-SAR, Chandrayaan-1 mission, Spudis et al. Geophys. Res. Lett., v. 37, L06204, 2010.
4) Fluxes of fast and epithermal neutrons from Lunar Prospector: Evidence for water ice at the lunar poles, Feldman et al., Science, v. 281, p. 1496, 1998
5) Stability of polar frosts in spherical bowl-shaped craters on the Moon, Mercury, and Mars, Ingersoll et al., Icarus, v. 100, p. 40, 1992
6) The behavior of volatiles on the lunar surface, Watson et al., Journal of Geophysical Research, v. 66, p. 3033, 1961
7) Ice in the lunar polar regions, Arnold, Journal of Geophysical Research, v. 84, p. 5659, 1979
8) The Clementine bistatic radar experiment, Nozette et al., Science, v. 274, p. 1495, 1996
NASA Press Release (13 October 1999) – on results of Lunar Prospector crash impact on the Moon
NASA Press Release (3 September 1998) – announcing enhanced estimate of quantity of water on the Moon
NASA Press Release (5 March 1998) – announcing the detection of ice on the Moon
Cornell Press Release (3 June 1999) – radar provides 3-D views of lunar poles
Lunar Prospector
Neutron Spectrometer Experiment
Clementine
Clementine Bistatic Radar Experiment
Ice on the Bone Dry Moon – Paul Spudis
Fonte: https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/ice/ice_moon.html
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