Skuggorna som kastas av månens yta skapar små kalla fläckar för vattenis att samlas även under den hårda måndagen.

Forskare är övertygade om att vattenis kan hittas vid månens poler inuti permanent skuggade kratrar – med andra ord, kratrar som aldrig får solljus. Men observationer visar att vattenis också finns över stora delar av månens yta, även under dagtid. Det här är ett pussel:Tidigare datormodeller föreslog att all vattenis som bildas under månnatten snabbt skulle brinna av när solen klättrar ovanför.

"För mer än ett decennium sedan, rymdfarkoster upptäckte eventuell närvaro av vatten på månens yta på dagsidan, och detta bekräftades av NASA:s Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy [SOFIA] 2020, sa Björn Davidsson, en vetenskapsman vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien. "Dessa observationer var, i början, kontraintuitivt:Vatten bör inte överleva i den tuffa miljön. Detta utmanar vår förståelse av månens yta och väcker spännande frågor om hur flyktiga, som vattenis, kan överleva på luftlösa kroppar."

I en ny studie, Davidsson och medförfattaren Sona Hosseini, en forskare och instrumentforskare vid JPL, tyder på att skuggor skapade av månens "grovhet" ger en tillflyktsort för vattenis, gör att den kan bildas som ytfrost långt från månens poler. De förklarar också hur månens exosfär (de svaga gaserna som fungerar som en tunn atmosfär) kan ha en viktig roll att spela i detta pussel.

Vattenfällor och frostfickor

Många datormodeller förenklar månens yta, vilket gör det platt och särpräglat. Som ett resultat, det antas ofta att ytan långt från polerna värms upp jämnt under månens dagtid, vilket skulle göra det omöjligt för vattenis att ligga kvar på den solbelysta ytan länge.

Så hur kommer det sig att vatten upptäcks på månen bortom permanent skuggade områden? En förklaring till upptäckten är att vattenmolekyler kan fångas inuti sten eller slagglaset som skapas av den otroliga värmen och trycket från meteoritslag. Smält i dessa material, som denna hypotes antyder, vattnet kan stanna kvar på ytan även när det värms upp av solen samtidigt som det skapar signalen som detekterades av SOFIA.

Men ett problem med den här idén är att observationer av månens yta visar att mängden vatten minskar före middagstid (när solljuset är på topp) och ökar på eftermiddagen. Detta indikerar att vattnet kan röra sig från en plats till en annan under måndagen, vilket skulle vara omöjligt om de är fångade inuti månsten eller slagglas.

Davidsson och Hosseini reviderade datormodellen för att ta hänsyn till den ytjämnhet som syns på bilder från Apollo-uppdragen 1969 till 1972, som visar en månyta beströdd med stenblock och pockad med kratrar, skapar massor av skuggiga områden även nära middagstid. Genom att inkludera denna ytjämnhet i sina datormodeller, Davidsson och Hosseini förklarar hur det kan bildas frost i de små skuggorna och varför vattenfördelningen förändras under dagen.

Eftersom det inte finns någon tjock atmosfär för att distribuera värme runt ytan, extremt kallt, skuggade områden, där temperaturen kan sjunka till ungefär minus 350 grader Fahrenheit (minus 210 grader Celsius), kan närma sig varma områden som utsätts för solen, där temperaturen kan nå så högt som 240 Fahrenheit (120 Celsius).

När solen spårar genom måndagen, yttjälen som kan samlas i denna kyla, skuggade områden utsätts långsamt för solljus och cyklar in i månens exosfär. Vattenmolekylerna fryser sedan om på ytan, återackumuleras som frost i annan kyla, skuggade platser.

"Frost är mycket mer rörlig än instängt vatten, sade Davidsson. Därför, denna modell ger en ny mekanism som förklarar hur vatten rör sig mellan månens yta och den tunna månatmosfären."

En närmare titt

Även om detta inte är den första studien som tar hänsyn till ytråhet vid beräkning av månens yttemperaturer, Tidigare arbete tog inte hänsyn till hur skuggor skulle påverka vattenmolekylernas förmåga att stanna kvar på ytan under dagtid som frost. Denna nya studie är viktig eftersom den hjälper oss att bättre förstå hur månens vatten släpps ut i, och borttagen från, månens exosfär.

"Att förstå vatten som en resurs är avgörande för NASA och kommersiella ansträngningar för framtida mänsklig månutforskning, " Sa Hosseini. "Om vatten är tillgängligt i form av frost i solbelysta områden av månen, framtida upptäcktsresande kan använda den som en resurs för bränsle och dricksvatten. Men först, vi måste ta reda på hur exosfären och ytan interagerar och vilken roll det spelar i cykeln."

För att testa denna teori, Hosseini leder ett team för att utveckla ultraminiatyrsensorer för att mäta de svaga signalerna från vattenis. Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer (HOLMS) utvecklas för att användas på små stationära landare eller autonoma rovers – som JPL:s Autonomous Pop-Up Flat Folding Explorer Robot (A-PUFFER), till exempel – som kan skickas till månen i framtiden för att göra direkta mätningar av hydroxyl (en molekyl som innehåller en väteatom och en syreatom).

Hydroxyl, som är en molekylär kusin till vatten (en molekyl med två väteatomer och en syreatom), kan fungera som en indikator på hur mycket vatten som kan finnas i exosfären. Både vatten och hydroxyl kan skapas av meteoritnedslag och genom solvindspartiklar som träffar månens yta, så att mäta närvaron av dessa molekyler i månens exosfär kan avslöja hur mycket vatten som skapas samtidigt som det visar hur det rör sig från plats till plats. Men tiden är avgörande för att göra dessa mätningar.

"Den nuvarande månutforskningen av flera nationer och privata företag indikerar betydande konstgjorda förändringar av månmiljön inom en snar framtid, " sa Hosseini. "Om denna trend fortsätter, vi kommer att förlora möjligheten att förstå den naturliga månmiljön, särskilt vattnet som cirkulerar genom månens orörda exosfär. Följaktligen, den avancerade utvecklingen av ultrakompakta, högkänsliga instrument är av avgörande betydelse och brådskande."

Forskarna påpekar att denna nya studie kan hjälpa oss att bättre förstå vilken roll skuggor spelar i ackumuleringen av vattenis och gasmolekyler bortom månen, som på Mars eller till och med på partiklarna i Saturnus ringar.

Studien, med titeln "Implikationer av ytråhet i modeller av vattendesorption på månen", publicerades i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society den 2 augusti, 2021.