новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

источник: pixabay

водяной лед, гидроксильные группы, молекулы воды. в течение последних тридцати лет, пока зонды и спускаемые аппараты проходили мимо луны один за другим, данные и сырье непрерывно передавались обратно. ученые работали не покладая рук, и постепенно показалась «сухая и безводная» луна. мы другая сторона этого.

когда ситуация изменилась? является ли это проблеском клементины над южным полюсом луны, или это улучшение точности и чувствительности современной технологии ионных зондов, или это точное позиционирование молекул воды спектрометром более широкого спектра sofia в высоких широтах луны, или это свежесть чанъэ 5 образец возврата?

статья написана линь хунлеем, младшим научным сотрудником института геологии и геофизики китайской академии наук.

яо, доцент, университет гонконга

● 　● 　●

перипетии поисков воды на луне

в 1994 году американский космический корабль «клементина» устремился на луну. это была первая целевая миссия сша по исследованию луны за 21 год после высадки на луну «аполлона».

в отличие от предыдущих миссий «аполлона» по возвращению образцов, на этот раз он вращается вокруг луны для подробного глобального исследования. он оснащен радиолокационной системой наблюдения, предназначенной для поиска следов воды на лунных полюсах путем взаимодействия с приемниками deep space network на земле.

в 1996 году министерство обороны сша объявило, что данные миссии «клементина» показали отложения водяного льда на дне кратера в постоянно затененной области на южном полюсе луны (нозетт и др., 1996, science). объем этого месторождения составлял от 6 десяти тысяч до 120 000 кубических метров, что эквивалентно небольшому озеру площадью в четыре футбольных поля и глубиной 5 метров. это открытие вернуло в поле зрения людей изучение лунной воды.

почему ты говоришь «ре»? на самом деле, люди всегда были полны бесконечных мечтаний о том, есть ли вода на луне. с тех пор как в 1609 году галилей изобрел телескоп, который позволяет наблюдать луну более четко, чем человеческий глаз, астрономы обнаружили, что на поверхности луны есть в основном две отдельные области: белая и черная. они полагают, что черные области на луне могут быть покрыты жидкой водой, поэтому используют такие слова, как «море», «океан», «ручей» и «залив», чтобы описать форму водной системы и назвать черные области. на луне (вэй юн и др., 2024, china proceedings of the academy of the sciences). к середине 20-го века ученые использовали численное моделирование, чтобы показать, что водяной пар может удерживаться в постоянных тенях в геологических масштабах времени. американская миссия «аполлон» и советская «луна» с 1969 по 1976 год собрали с луны большое количество проб и вернули их на землю, наконец дав людям возможность напрямую измерять содержание воды в лунных пробах. к сожалению, результаты анализа показывают, что лунный грунт очень сух, и измеренные следовые количества воды не могут исключить загрязнение из атмосферы земли. в то же время инструменты, которые астронавты оставили на поверхности луны для обнаружения атмосферы, не смогли обнаружить воду, что, казалось, делало факт «луна сухая». это также привело к формированию теории столкновения луны.

результаты радиолокационного обнаружения корабля «клементина», несомненно, дали положительный сигнал! однако наблюдения с наземного радиотелескопа аресибо показали, что даже в областях без постоянных теней (которые не может сохранить водяной лед) существуют аналогичные радиолокационные сигнатуры, возможно, из-за других факторов, таких как шероховатость поверхности (стейси и др. др., 1997, наука). вопрос о том, есть ли водяной лед в полярных областях луны, вновь окутан тайной.

вода состоит из водорода и кислорода. измерение содержания водорода на луне может стать способом обнаружения воды. поэтому в 1998 году «лунар проспектор» взял с собой нейтронный спектрометр для измерения распределения лунного водорода и увидел большие концентрации водорода на полюсах (фельдман и др., 1998, science). есть ли снова вода на луне? споры о том, есть ли на луне вода, продолжались до 2008 года.

2008 год стал крайне необычным для поиска воды на луне. в этом году произошло два крупных события. во-первых, индийский космический корабль «чандраян-1» доставил на лунную орбиту американский «lunar mineralogy mapper», который является первым спектрометром, который может напрямую измерять лунные молекулы гидроксила/воды.

вскоре команда профессора карла питерса из университета брауна, отвечавшая за этот спектрометр, обнаружила в данных очевидные сигналы молекул гидроксила/воды, особенно в средних и высоких широтах луны. это очень взволновало команду профессора карла питерса, но также и очень удивило: как мог быть такой сильный сигнал воды? что-то не так с калибровкой прибора? они потратили несколько месяцев на изучение данных и пришли к выводу, что сигналы верны (pieters et al., 2009, science).

чтобы еще больше убедиться в том, что вода действительно была обнаружена, команда попросила зонд deep impact, направлявшийся к комете, вернуться и провести спектральные измерения на луне (sunshine et al., 2009, science), и откопал миссию кэсси на сатурн. данные спектральных наблюдений космического корабля ni во время его облета луны в 1999 году были повторно проанализированы (clark, 2009, science), что перекрестно подтвердило, что сигнал лунной воды реален.

в то же время на местах произошел новый крупный прорыв, и это второе.

команда профессора альберто саала, также из университета брауна, провела три года, используя технологию ионных зондов (sims), чтобы повторно проанализировать вулканическое стекло (продукт извержений вулканов) в лунном грунте аполлона и обнаружила до 50 частей на миллион воды (( саал и др., 2008, nature), оспаривая традиционное мнение о том, что «луна безводна», с убедительными доказательствами. технология ионных зондов появилась с 1950-х годов. она использует пучки ионов высокой энергии для бомбардировки поверхности образца с целью выделения ионов водорода, а затем для проведения измерений.

эта технология также использовалась при анализе раннего лунного грунта, но пространственное разрешение и чувствительность относительно низкие. благодаря усовершенствованиям в технологиях источников ионов и детекторов современная технология sims способна обнаруживать содержание воды всего в 5 частей на миллион (пять частей на миллион). технологические достижения сделали возможным точное измерение воды в лунном грунте.альберто саал в основном изучает внутренний состав земли. придя в университет брауна, он начал расширять свои исследования луны и планет. когда он предложил изучить тему «есть ли вода внутри луны», предупредили его коллеги. ему, что с существующей луны маловероятно, что в образце будет обнаружена новая информация. но он не сдался. при поддержке современных передовых технологий он, наконец, добился больших успехов. он объяснил этот успех отсутствием у него опыта в области планетарной науки и отсутствием фиксированного мышления.

в 2009 году американская спутниковая миссия по наблюдению и зондированию лунного кратера (lcross) провела ударный эксперимент в полярных регионах луны, а наблюдение и анализ брызг от удара подтвердили существование воды (colaprete et al., 2010, science ).с тех пор стало общим мнением, что на луне есть вода.

лабораторный анализ проб и наблюдения дистанционного зондирования предоставили доказательства того, что на луне есть вода, но в цепочке доказательств есть недостающее звено: полевые измерения лунной поверхности.китайский зонд «чанъэ-5» успешно приземлился в средних широтах луны 1 декабря 2020 года. это вторая миссия по отбору проб для людей после 1976 года, и на ней был установлен анализатор спектра лунных минералов для получения данных в процессе отбора проб. спектр лунной поверхности такой же, как если бы мы вышли в «поле» на луну. впервые мы обнаружили сигнал воды на лунной поверхности на таком близком расстоянии и с высоким разрешением (лин, ли). , xu et al., 2022, science advances; liu et al., 2022, nature communications), предоставляя еще одно убедительное доказательство того, что вода широко распространена на луне.

после того, как образцы «чанъэ-5» вернулись на землю, они вызвали большой исследовательский энтузиазм среди научных исследователей, особенно изучение воды в лунном грунте. потому что по сравнению с предыдущими миссиями по отбору проб на луну (например, американским «аполлоном» и советской «луной») лунный грунт «чанъэ 5» происходит из более высоких широт и является более молодым, чем существующие образцы лунного грунта. человечество. очень ценно. на данный момент национальное космическое управление разослало 7 партий по 85,48 граммов образцов научных исследований 131 отечественной исследовательской группе. в среднем каждая команда получила всего несколько сотен миллиграммов образцов. используя такое небольшое количество образцов, исследователи использовали технологию наноионных зондов и технологию инфракрасной спектроскопии, чтобы обнаружить более высокое содержание воды в лунном грунте (сюй, тянь и др., 2022, pnas; zhou et al., 2022, nature). связь).

где в основном хранится вода? исключив многие возможности, исследователи обратили свое внимание на ударяющиеся стеклянные шарики в лунном грунте чанъэ-5.этому типу образцов раньше уделялось мало внимания, поскольку этот тип образцов имеет «обычное происхождение» и является продуктом плавления лунного грунта метеоритами. этот процесс сопровождается смешанной трансформацией исходной породы, из-за чего она не может отражать информацию внутри луны, как «вулканическое стекло», поэтому в первые дни ею мало кто интересовался.но ударного стекла в лунном грунте довольно много. благодаря сверхвысокому пространственному разрешению технологии анализа нано-ионных зондов исследователи получили точное содержание воды в ударной стеклянной бусине лунного грунта чанъэ-5, подтвердив, что ударная стеклянная бусина является важным резервуаром лунной воды и обладает способностью поддерживать лунную воду. емкость и потенциал циркуляции поверхностных вод (he et al., 2023, nature geoscience). с углублением понимания лунной воды изучение лунного водного цикла постепенно стало в центре внимания.

что это за лунная вода, о которой мы говорим?

когда речь заходит о воде, первое, о чем думают люди: можно ли ее пить? когда мы говорим, что на луне есть вода, мы имеем в виду не океаны и озера, а молекулы воды и гидроксильные группы (он), которые существуют в структуре частиц лунного грунта, или водяной лед, который существует в областях постоянной тени. из полярных регионов. среди них водный лед относится к твердому материалу, состоящему из множества молекул воды, обычно в гексагональной кристаллической форме, тогда как молекулы гидроксила/воды обычно сочетаются с минералами на луне и присутствуют в минеральной структуре.

лабораторная технология ионного зонда измеряет содержание водорода, а затем преобразует его в содержание воды, независимо от того, существует ли вода в форме гидроксильных групп, молекул воды или водорода. спектрометры «чандраян-1» и «чанъэ-5» также не могут различать молекулы гидроксила и воды из-за узкого диапазона длин волн.

в 2011 году исследователи объединили технологию ионного зонда и инфракрасной спектроскопии с преобразованием фурье для прямого измерения гидроксильной воды в лунном грунте аполлона (лю и др., 2011, nature geoscience). в 2020 году стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии (sofia) в сша использовала спектрометр более широкого спектра для обнаружения молекулярной воды, которая может относительно стабильно существовать за пределами зоны постоянной тени, впервые подтвердив существование молекулярной воды на поверхности луны. (honniball et al., 2021, nature astronomy), эта сенсационная новость зажгла у людей надежды на использование лунных водных ресурсов, поскольку молекулярную воду легче использовать, чем гидроксильные группы. однако четких доказательств присутствия молекулярной воды в образцах лунного грунта обнаружено не было. исследования образцов чанъэ-5 показали, что ударное стекло содержит более высокое содержание воды (he et al., 2023, nature geoscience). так будет ли вероятность присутствия молекулярной воды в ударном стекле выше? помня об этом вопросе, исследователи провели подробные измерения на 12 шариках из ударного стекла образца чанъэ-5 и обнаружили сигнал молекулярной воды. они обнаружили, что 20–35% воды в ударном стекле представляет собой молекулярную воду. (чжоу, мо и др., 2024, science advances).

откуда берется лунная вода? на этот вопрос в основном можно ответить, полагаясь на изотопы водорода.водород в основном включает в себя стабильные изотопы протия (h) и дейтерия (d), и их масса увеличивается по порядку. измеряя соотношение дейтерия/протия (d/h) в образце и сравнивая его с возможными целевыми источниками, можно определить, откуда поступает вода.если значение d/h низкое, как у солнца, это означает, что вода была принесена на луну солнечным ветром, если значение d/h высокое, как у кометы, это означает, что вода могла быть занесена на луну в результате удара кометы; если d, то значение /h близко к земному. если исключить влияние земли, то это вода самой луны; значение находится между землей и кометами, оно может быть доставлено на луну водоносным астероидом.конечно, иногда измеренное соотношение d/h является результатом смеси нескольких источников. в этом случае необходимо объединить другие изотопы, такие как углерод, азот и т. д., для дальнейшего определения источника воды. благодаря измерениям изотопов водорода в частицах лунного грунта были обнаружены доказательства того, что вода поступает из нескольких источников, таких как недра луны, воздействие солнечного ветра и удары астероидов/комет (saal et al., 2008, nature; greenwood et al., 2011). , nature geoscience; liu et al., 2011, nature geoscience; barnes et al., 2016, nature communications), эти источники были обнаружены даже одновременно в ударном стекле образца чанъэ-5 (he et al., 2023). , nature geoscience; zhou, mo et al., 2024, science advances), тем самым усложняя проблему лунных источников воды.

чтобы определить основной источник воды с большей статистической значимостью, исследователи провели гранулярный спектральный анализ большого количества образцов из чанъэ-5, предоставив доказательства того, что солнечный ветер является основным источником лунной почвенной воды (лин и др. , научный бюллетень, 2024). на разные источники воды указывают и закономерности изменения содержания воды на поверхности луны, полученные на основе спектров дистанционного зондирования. содержание воды на лунной поверхности имеет суточные колебания: оно выше утром и вечером и ниже в полдень, что указывает на источник воды в солнечном ветре, поскольку только солнечный ветер может быстро восполнить воду, потерянную из-за высоких температур в полдень (li & милликен, 2017, science advances; wöhler et al., 2017, science advances; есть некоторые области, где содержание воды аномально высокое, и в сочетании с топографией и характеристиками рельефа было установлено существование воды внутри луны ( клима и др., 2013, nature geoscience; милликен и ли, 2017, nature geoscience). полярный водяной лед также может быть вызван диффузией и миграцией воды, вызванной солнечным ветром, и, наконец, конденсируется и образуется в области постоянной тени полярных регионов луны (pieters et al., 2009, science analysis of). элементарные данные lcross указывают на то, что воздействие кометы также является разумным источником (mandt et al., 2022, nature communications).

конечно, поскольку луна проводит почти треть каждого месяца в земной магнитосфере, нельзя исключать вклад земного ветра в лунную воду (wei et al., 2020, geophysical research letters; wang et al., 2021). , astrophysical journal letters li et al., 2023, nature astronomy).вопрос об источнике лунной воды чрезвычайно сложен и требует взятия проб из большего количества областей, большего количества наблюдений и более глубокого анализа для дальнейшего понимания.стоит отметить, что солнечный ветер и земной ветер являются не только источником лунной воды, но и космической радиационной обстановкой, с которой нам приходится непосредственно сталкиваться при проведении пилотируемых и беспилотных исследовательских миссий на луну. характеристики и механизмы изменения являются ключом к лунным миссиям. одна из важных гарантий также заслуживает особого внимания.

сколько воды доступно и можно ли ее использовать — это вопросы, которые больше всего беспокоят людей при создании лунной базы и пребывании там в течение длительного времени в будущем. этот вопрос можно рассматривать с двух сторон, исходя из существования воды на луне. первый — это полярный регион, который теоретически хранит более высокое содержание воды, чем другие регионы, из-за своей низкой температуры в виде грязного льда (смешанного с лунным грунтом) в постоянно затененной области. миссия lcross проанализировала шлейф, образовавшийся в результате удара в область постоянной тени южного полюса луны, и обнаружила, что место удара содержало примерно 5,6 мас.% водяного льда (colaprete et al., 2010, science). обнаружение инфракрасного спектра также дало аналогичные результаты и обнаружило, что в некоторых районах, где сигнал водяного льда относительно чистый, содержание водяного льда может даже достигать 30 мас.% (li et al., 2018, pnas). водяной лед в полярных регионах в настоящее время является лунным ресурсом с наибольшим потенциалом и в настоящее время находится в центре внимания исследований по всему миру. исследователи предложили нагревать добычу, нагревать бурение и другие идеи для добычи водяного льда.однако из-за сложности окружающей среды, такой как низкая температура, низкая гравитация и отсутствие света, для достижения этой цели еще предстоит пройти долгий путь. после добычи также необходимо учитывать такие вопросы, как разделение, очистка и хранение.

с другой стороны, в лунном грунте есть вода. эта вода существует в минеральной структуре. содержание воды составляет всего лишь десятки-сотни частей на миллион (в одной тонне лунного грунта содержится от десятков до сотен граммов воды). хуже, чем в пустыне. на примере района отбора проб чанъэ-5 одна тонна лунного грунта содержит до 120 граммов воды (лин, ли, сюй и др., 2022, science advances), но это также связано с широтой, и может даже достигать более высоких значений в более высоких широтах — 500–750 граммов (li & milliken, 2017, science advances). вода в лунном грунте в основном поступает из-за инжекции солнечного ветра. поскольку удельная поверхность мелкозернистого лунного грунта больше, содержание воды будет выше, чем у крупных частиц.гранулированное просеивание может стать способом использования воды из лунного грунта в средних и низких широтах.из 1000 кубических метров мелкозернистого лунного грунта (менее 45 микрон) можно извлечь 108 килограммов воды. если просеять его еще мельче, из 1000 кубических метров лунного грунта размером менее 10 микрон можно извлечь 840 килограммов воды. (лин и др., научный бюллетень, 2024 г.). кроме того, в пирокластических областях луны сохраняется большое количество воды, концентрация которой может достигать 500 ppm (milliken & li, 2017, nature geoscience). однако извлечение этой воды из лунного грунта требует более высоких температур нагрева, и вопрос о том, как эффективно получить максимальное соотношение затрат и выхода, является непростой задачей.

хотя использование лунной воды сопряжено со многими трудностями, уже начали разрабатываться соответствующие принципиальные прототипы. с развитием технологий считается, что в ближайшем будущем астронавты смогут пить лунную воду, и даже можно будет производить ракетное топливо. из лунной воды.

куда пойти

вода является источником жизни, и ее важность очевидна. вода также сыграла очень важную роль в эволюции луны. новый раунд исследования луны перешел от чисто научных исследований к уделению равного внимания научным исследованиям и их применению, а также предложил планы на будущее, такие как «лунные деревни» и «лунные научно-исследовательские станции». вода, как важный ресурс, также имеет место. получил больше внимания. лунная вода сыграет важную роль в будущих исследованиях космоса и заложит важную основу для выхода человеческой цивилизации в космос.до сих пор ведутся споры по поводу пространственно-временного распределения лунной воды. получение содержания и распределения воды на луне с высокой точностью и разрешением является целью будущих исследований.

примерно в 2030 году «чанъэ-7» и «чанъэ-8» моей страны проведут детальное исследование южного полюса луны, особенно обнаружение водных ресурсов в полярных регионах, что станет базовой основой международной научной исследования луны. будет построена исследовательская станция. пилотируемое исследование луны также включено в повестку дня. американский «проект артемида» вновь осуществит пилотируемую высадку на луну после миссии «аполлон», проведет исследования, эксперименты и соберет образцы на южном полюсе луны, а также построит базу для поддержки долгосрочной деятельности человека на луне. лунная поверхность. соединенные штаты также планируют запустить небольшую исследовательскую миссию «лунный пионер», чтобы специально изучить распределение воды на луне посредством обнаружения на орбите. кроме того, европа, япония, индия, южная корея и другие страны также считают обнаружение лунной воды важным содержанием. чтобы использовать лунную воду, нам сначала необходимо более четко понять суть лунной воды, что требует более точных данных наблюдений. преимущество луны состоит в том, что она не имеет атмосферы и имеет орбиту, удобную для близкого сближения и непрерывной работы.исследователи предложили план «окололунной орбитальной группировки» для достижения непрерывных измерений окололунных орбит с высоким разрешением (ниже 30 километров), что поможет нам получить беспрецедентно точную информацию о лунной воде (wei yong et al., 2024, труды китайской академии наук).