De schaduwen die door de ruwheid van het maanoppervlak worden geworpen, creëren kleine koude plekken waar waterijs zich kan ophopen, zelfs tijdens de barre maandag.

Wetenschappers zijn ervan overtuigd dat waterijs te vinden is aan de polen van de maan in permanent beschaduwde kraters - met andere woorden, kraters die nooit zonlicht ontvangen. Maar waarnemingen tonen aan dat waterijs ook aanwezig is op een groot deel van het maanoppervlak, zelfs overdag. Dit is een puzzel:eerdere computermodellen suggereerden dat waterijs dat zich tijdens de maannacht vormt, snel zou moeten verbranden als de zon boven ons klimt.

"Meer dan een decennium geleden, ruimtevaartuig detecteerde de mogelijke aanwezigheid van water op het dagoppervlak van de maan, en dit werd in 2020 bevestigd door NASA's Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy [SOFIA], " zei Björn Davidsson, een wetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië. "Deze waarnemingen waren, aanvankelijk, contra-intuïtief:water zou niet moeten overleven in die barre omgeving. Dit daagt ons begrip van het maanoppervlak uit en roept intrigerende vragen op over hoe vluchtige, zoals waterijs, kunnen overleven op luchtloze lichamen."

In een nieuwe studie, Davidsson en co-auteur Sona Hosseini, een onderzoeks- en instrumentwetenschapper bij JPL, suggereren dat schaduwen gecreëerd door de "ruwheid" van het maanoppervlak een toevluchtsoord bieden voor waterijs, waardoor het zich kan vormen als oppervlakte-ijs ver van de polen van de maan. Ze leggen ook uit hoe de exosfeer van de maan (de ijle gassen die werken als een dunne atmosfeer) een belangrijke rol kan spelen in deze puzzel.

Watervallen en vorstzakken

Veel computermodellen vereenvoudigen het maanoppervlak, waardoor het plat en karakterloos wordt. Als resultaat, er wordt vaak aangenomen dat het oppervlak ver van de polen overdag gelijkmatig opwarmt, waardoor het onmogelijk zou zijn voor waterijs om lang op het zonovergoten oppervlak te blijven.

Dus hoe komt het dat er water op de maan wordt gedetecteerd buiten permanent beschaduwde gebieden? Een verklaring voor de detectie is dat watermoleculen vast kunnen zitten in gesteente of in het inslagglas dat wordt gecreëerd door de ongelooflijke hitte en druk van meteorieteninslagen. Versmolten in deze materialen, zoals deze hypothese suggereert, het water kan op het oppervlak blijven, zelfs als het wordt verwarmd door de zon, terwijl het het signaal creëert dat door SOFIA is gedetecteerd.

Maar een probleem met dit idee is dat observaties van het maanoppervlak aantonen dat de hoeveelheid water vóór de middag (wanneer het zonlicht op zijn hoogtepunt is) afneemt en in de middag toeneemt. Dit geeft aan dat het water tijdens de maandag van de ene locatie naar de andere kan bewegen, wat onmogelijk zou zijn als ze gevangen zitten in maansteen of inslagglas.

Davidsson en Hosseini hebben het computermodel herzien om rekening te houden met de oppervlakteruwheid die zichtbaar is in afbeeldingen van de Apollo-missies van 1969 tot 1972, die een maanoppervlak tonen bezaaid met keien en pokdalig met kraters, het creëren van veel schaduwrijke gebieden, zelfs rond het middaguur. Door deze oppervlakteruwheid in hun computermodellen op te nemen, Davidsson en Hosseini leggen uit hoe er in de kleine schaduwen rijp kan ontstaan ​​en waarom de waterverdeling gedurende de dag verandert.

Omdat er geen dikke atmosfeer is om warmte over het oppervlak te verdelen, extreem koud, schaduwrijke gebieden, waar de temperatuur kan dalen tot ongeveer min 350 graden Fahrenheit (min 210 graden Celsius), kan grenzen aan hete gebieden die aan de zon worden blootgesteld, waar de temperatuur kan oplopen tot 240 Fahrenheit (120 Celsius).

Terwijl de zon de maandag volgt, de oppervlaktevorst die zich in deze kou kan ophopen, beschaduwde gebieden worden langzaam aan zonlicht blootgesteld en naar de exosfeer van de maan gefietst. De watermoleculen bevriezen dan weer op het oppervlak, accumuleert als vorst in andere koude, schaduwrijke plaatsen.

"Frost is veel mobieler dan ingesloten water, "zei Davidsson. "Daarom, dit model biedt een nieuw mechanisme dat verklaart hoe water beweegt tussen het maanoppervlak en de dunne maanatmosfeer."

Onder de loep

Hoewel dit niet het eerste onderzoek is dat rekening houdt met oppervlakteruwheid bij het berekenen van de oppervlaktetemperaturen van de maan, eerder werk hield geen rekening met de invloed van schaduwen op het vermogen van watermoleculen om overdag als vorst op het oppervlak te blijven. Deze nieuwe studie is belangrijk omdat het ons helpt beter te begrijpen hoe maanwater vrijkomt in, en verwijderd van, exosfeer van de maan.

"Het begrijpen van water als hulpbron is essentieel voor NASA en commerciële inspanningen voor toekomstige menselijke verkenning van de maan, Hosseini zei. "Als water beschikbaar is in de vorm van vorst in zonovergoten gebieden van de Maan, toekomstige ontdekkingsreizigers kunnen het gebruiken als een hulpbron voor brandstof en drinkwater. Maar eerst, we moeten uitzoeken hoe de exosfeer en het oppervlak op elkaar inwerken en welke rol dat speelt in de cyclus."

Om deze theorie te testen, Hosseini leidt een team dat ultraminiatuursensoren ontwikkelt om de zwakke signalen van waterijs te meten. De Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer (HOLMS) wordt ontwikkeld voor gebruik op kleine stationaire landers of autonome rovers - zoals JPL's Autonomous Pop-Up Flat Folding Explorer Robot (A-PUFFER), bijvoorbeeld - die in de toekomst naar de maan kan worden gestuurd om directe metingen te doen van hydroxyl (een molecuul dat één waterstofatoom en een zuurstofatoom bevat).

Hydroxyl, wat een moleculaire neef is van water (een molecuul met twee waterstofatomen en één zuurstofatoom), kan dienen als een indicator van hoeveel water er in de exosfeer aanwezig kan zijn. Zowel water als hydroxyl kunnen worden gecreëerd door meteorietinslagen en door zonnewinddeeltjes die het maanoppervlak raken, dus het meten van de aanwezigheid van deze moleculen in de exosfeer van de maan kan onthullen hoeveel water wordt gecreëerd, terwijl het ook laat zien hoe het van plaats naar plaats beweegt. Maar tijd is van essentieel belang om die metingen te doen.

"De huidige verkenning van de maan door verschillende landen en particuliere bedrijven wijst op significante kunstmatige veranderingen in de maanomgeving in de nabije toekomst, ", zei Hosseini. "Als deze trend zich voortzet, we zullen de kans verliezen om de natuurlijke maanomgeving te begrijpen, vooral het water dat door de ongerepte exosfeer van de maan circuleert. Bijgevolg, de geavanceerde ontwikkeling van ultracompacte, hooggevoelige instrumenten is van cruciaal belang en urgent."

De onderzoekers wijzen erop dat deze nieuwe studie ons zou kunnen helpen de rol die schaduwen spelen bij de ophoping van waterijs en gasmoleculen buiten de maan beter te begrijpen, zoals op Mars of zelfs op de deeltjes in de ringen van Saturnus.

De studie, getiteld "Implicaties van oppervlakteruwheid in modellen van waterdesorptie op de maan", werd gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society op 2 augustus 2021.