Запасы воды на Луне возникли благодаря «поставкам» с астероидами, а не за счет падений комет, как считалось ранее. Один крупный астероид может доставить на лунную поверхность больше воды, чем все падения комет за миллиард лет, выяснили ученые из Института динамики геосфер РАН и МФТИ с помощью компьютерного моделирования. Исследование опубликовано в журнале Planetary and Space Science.

Изучение количества воды на Луне и ее местонахождения имеет большое практическое значение для создания на спутнике обитаемых станций. Проведенное МФТИ и ИДГ РАН исследование показывает, в частности, что вода на Луне может удерживаться не только в так называемых «холодных ловушках», но и на освещенных солнцем местах — а это может значительно облегчить задачу исследования спутника, поскольку создавать лунные базы на освещенных точках удобнее, чем в тени.

Важную роль в исследовании количества и местонахождения воды на Луне играет понимание того, как вода там оказывается. Сотрудники кафедры теоретической и экспериментальной физики геосистем МФТИ Владимир Светцов и Валерий Шувалов, которые много лет исследуют падения астероидов и комет (они, в частности, занимались компьютерным моделированием Тунгусской катастрофы и падения Челябинского метеорита), решили найти наиболее вероятный механизм доставки воды на Луну и примерный объем «поставок». Для этого они с помощью созданного ими алгоритма SOVA провели компьютерное моделирование падения на Луну разных типов космических тел с разными скоростями и разными углами падения. На выходе модель, в частности, показывала распределение максимальных температур, до которых нагревалось в процессе удара вещество ударника, и динамику удара.

В первую очередь ученые решили проверить, могут ли играть роль главных «водоносов» кометы. Зная типичную скорость падения ледяных комет — от 20 до 50 километров в секунду — они произвели расчеты, которые показали, что при такой скорости соударения от 95% до 99,9% всей кометной воды безвозвратно испаряется в космос. Более того, даже при падении низкоскоростных комет менее 1% воды остается на месте падения.

Тогда ученые решили присмотреться к астероидам: они состоят из первоначального недифференцированного строительного материала Солнечной системы и содержат довольно значительную долю воды. В частности, углистые хондриты — наиболее распространенный тип астероидов и метеоритов — могут содержать до 10% воды.

Моделирование показало, что при скорости падения 14 километров в секунду и угле падения около 45 градусов примерно половина массы астероида не достигает даже температуры плавления и остается в твердом состоянии. Треть от всех астероидов, падающих на Луну, имеет перед соударением скорость ниже 14 километров в секунду. При этом большая часть вещества упавшего тела остается в кратере — от 30%-40% при косом ударе, и до 60-70% — при вертикальном.

Расчеты показали, что от 2% до 4,5% лунных кратеров может содержать существенные запасы воды в виде гидратированных минералов, достаточно устойчивых, чтобы удержать воду даже на освещенных Солнцем местах.

«Это важно, потому что приполярные холодные ловушки — очень неудобные места для создания лунных баз. Там мало солнечной энергии, сложно организовать радиосвязь, наконец, там экстремально низкие температуры. Возможность получать лунную воду в районах, освещаемых Солнцем, может значительно облегчить задачу исследования спутника», — заключил ученый.

Вопрос наличия, количества и происхождения воды на Луне долгое время оставался открытым. В начале космической эры и во времена программы «Аполлон» ученые считали Луну абсолютно сухим телом. Отсутствие атмосферы и воздействие солнечной радиации должны были испарить все летучие вещества в космос еще на ранних стадиях эволюции спутника. В 1990-е годы исследователи получили с борта зонда Lunar Prospector данные, которые поколебали это убеждение: поток нейтронов с поверхности спутника указывал на большую долю водорода в приповерхностном слое грунта в некоторых регионах Луны, что можно было интерпретировать как признак наличия воды. Чтобы объяснить, как вода может удерживаться на Луне, ученые сформулировали теорию «холодных ловушек».

Однако позже теория оправдалась лишь частично, карта «холодных ловушек» не совпала с картой месторождений воды. Теорию пришлось дорабатывать, был предложен вариант «лунной мерзлоты», который допускал возможность «выживания» водяного льда в районах, освещаемых Солнцем, под одеялом из грунта. Кроме того, рассматривалась версия, что значительная часть «воды», которую видят зонды — это имплантированный солнечный ветер: атомы водорода солнечного ветра на поверхности Луны вступают в реакцию с атомами кислорода, образуя неустойчивую «росу» из молекул воды и гидроксильных групп. Ученые не исключали, что вода может находиться и в связанном состоянии — в гидратированных минералах.

Вопрос о том, как именно вода оказалась на Луне и сколько ее там может быть, оставался открытым. Причем второй вопрос уже в ближайшие годы может приобрести практическое значение: если мы собираемся создавать на Луне обитаемые станции, знать, на какие ресурсы мы можем рассчитывать, желательно еще до начала проектирования.