Le ombre proiettate dalla ruvidità della superficie lunare creano piccoli punti freddi per l'accumulo di ghiaccio d'acqua anche durante il duro giorno lunare.

Gli scienziati sono fiduciosi che il ghiaccio d'acqua possa essere trovato ai poli della Luna all'interno di crateri permanentemente in ombra - in altre parole, crateri che non ricevono mai la luce solare. Ma le osservazioni mostrano che il ghiaccio d'acqua è presente anche su gran parte della superficie lunare, anche durante il giorno. Questo è un enigma:i precedenti modelli di computer suggerivano che qualsiasi ghiaccio d'acqua che si forma durante la notte lunare dovrebbe rapidamente bruciare mentre il Sole sale sopra la sua testa.

"Più di un decennio fa, la sonda ha rilevato la possibile presenza di acqua sulla superficie diurna della Luna, e ciò è stato confermato dallo Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy [SOFIA] della NASA nel 2020, " ha detto Björn Davidsson, uno scienziato del Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California. "Queste osservazioni erano, All'inizio, controintuitivo:l'acqua non dovrebbe sopravvivere in un ambiente così duro. Ciò sfida la nostra comprensione della superficie lunare e solleva interrogativi intriganti su come i volatili, come ghiaccio d'acqua, può sopravvivere su corpi senz'aria."

In un nuovo studio, Davidsson e la coautrice Sona Hosseini, uno scienziato ricercatore e strumentale al JPL, suggeriscono che le ombre create dalla "rugosità" della superficie lunare forniscano rifugio per il ghiaccio d'acqua, permettendogli di formarsi come ghiaccio superficiale lontano dai poli della Luna. Spiegano anche come l'esosfera della Luna (i tenui gas che agiscono come una sottile atmosfera) possa avere un ruolo significativo da svolgere in questo enigma.

Trappole d'acqua e tasche antigelo

Molti modelli di computer semplificano la superficie lunare, rendendolo piatto e senza caratteristiche. Di conseguenza, spesso si presume che la superficie lontana dai poli si riscaldi in modo uniforme durante il giorno lunare, il che renderebbe impossibile per il ghiaccio d'acqua rimanere a lungo sulla superficie illuminata dal sole.

Allora, com'è che l'acqua viene rilevata sulla Luna al di là delle regioni permanentemente in ombra? Una spiegazione per il rilevamento è che le molecole d'acqua possono essere intrappolate all'interno della roccia o del vetro da impatto creato dall'incredibile calore e pressione dei meteoriti. Fuso all'interno di questi materiali, come suggerisce questa ipotesi, l'acqua può rimanere in superficie anche se riscaldata dal Sole mentre crea il segnale che è stato rilevato da SOFIA.

Ma un problema con questa idea è che le osservazioni della superficie lunare mostrano che la quantità di acqua diminuisce prima di mezzogiorno (quando la luce solare è al suo apice) e aumenta nel pomeriggio. Ciò indica che l'acqua potrebbe spostarsi da un luogo all'altro durante il giorno lunare, il che sarebbe impossibile se fossero intrappolati all'interno di rocce lunari o di vetro da impatto.

Davidsson e Hosseini hanno rivisto il modello al computer per tener conto della rugosità superficiale evidente nelle immagini delle missioni Apollo dal 1969 al 1972, che mostrano una superficie lunare disseminata di massi e butterata da crateri, creando molte zone d'ombra anche vicino a mezzogiorno. Scomponendo questa rugosità superficiale nei loro modelli al computer, Davidsson e Hosseini spiegano come è possibile che si formi il gelo nelle piccole ombre e perché la distribuzione dell'acqua cambia durante il giorno.

Poiché non c'è un'atmosfera densa per distribuire il calore intorno alla superficie, estremamente freddo, zone d'ombra, dove le temperature possono precipitare a circa meno 350 gradi Fahrenheit (meno 210 gradi Celsius), possono confinare con zone calde esposte al sole, dove le temperature possono raggiungere i 240 gradi Fahrenheit (120 gradi Celsius).

Mentre il Sole segue il giorno lunare, il gelo superficiale che può accumularsi in questi freddi, le aree ombreggiate vengono lentamente esposte alla luce solare e fatte circolare nell'esosfera lunare. Le molecole d'acqua si ricongelano sulla superficie, riaccumulandosi come brina in altri freddi, posizioni ombreggiate.

"Il gelo è molto più mobile dell'acqua intrappolata, " disse Davidson. "Pertanto, questo modello fornisce un nuovo meccanismo che spiega come l'acqua si muove tra la superficie lunare e la sottile atmosfera lunare".

Uno sguardo più da vicino

Sebbene questo non sia il primo studio a considerare la rugosità superficiale nel calcolo delle temperature della superficie lunare, il lavoro precedente non ha tenuto conto di come le ombre avrebbero influenzato la capacità delle molecole d'acqua di rimanere sulla superficie durante il giorno sotto forma di gelo. Questo nuovo studio è importante perché ci aiuta a capire meglio come viene rilasciata l'acqua lunare, e rimosso da, l'esosfera della Luna.

"Comprendere l'acqua come risorsa è essenziale per la NASA e gli sforzi commerciali per la futura esplorazione lunare umana, " Disse Hosseini. "Se l'acqua è disponibile sotto forma di brina nelle regioni illuminate dal sole della Luna, i futuri esploratori potrebbero usarlo come risorsa per il carburante e l'acqua potabile. Ma prima, dobbiamo capire come interagiscono l'esosfera e la superficie e quale ruolo gioca nel ciclo".

Per testare questa teoria, Hosseini sta guidando un team per sviluppare sensori ultraminiaturizzati per misurare i deboli segnali del ghiaccio d'acqua. Lo spettrometro miniaturizzato lunare Heterodyne OH (HOLMS) è stato sviluppato per essere utilizzato su piccoli lander stazionari o rover autonomi, come il robot esploratore automatico pieghevole a scomparsa piatta di JPL (A-PUFFER), per esempio, che potrebbe essere inviato sulla Luna in futuro per effettuare misurazioni dirette dell'idrossile (una molecola che contiene un atomo di idrogeno e un atomo di ossigeno).

idrossile, che è un cugino molecolare dell'acqua (una molecola con due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno), può servire come indicatore di quanta acqua può essere presente nell'esosfera. Sia l'acqua che l'idrossile potrebbero essere creati dagli impatti di meteoriti e dalle particelle del vento solare che colpiscono la superficie lunare, quindi misurare la presenza di queste molecole nell'esosfera lunare può rivelare quanta acqua viene creata e allo stesso tempo mostrare come si sposta da un luogo all'altro. Ma il tempo è essenziale per effettuare queste misurazioni.

"L'attuale esplorazione lunare da parte di diverse nazioni e compagnie private indica significativi cambiamenti artificiali nell'ambiente lunare nel prossimo futuro, " ha detto Hosseini. "Se questa tendenza continua, perderemo l'opportunità di comprendere l'ambiente lunare naturale, in particolare l'acqua che scorre attraverso l'esosfera incontaminata della Luna. Di conseguenza, lo sviluppo avanzato di ultracompatti, strumenti ad alta sensibilità è di fondamentale importanza e urgenza."

I ricercatori sottolineano che questo nuovo studio potrebbe aiutarci a comprendere meglio il ruolo delle ombre nell'accumulo di ghiaccio d'acqua e molecole di gas oltre la Luna, come su Marte o anche sulle particelle negli anelli di Saturno.

Lo studio, intitolato "Implicazioni della rugosità superficiale nei modelli di desorbimento dell'acqua sulla Luna", è stato pubblicato in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society il 2 agosto 2021.