Краткий ответ на вопрос, вынесенный в заголовке, таков – мы не знаем. На самом деле существует множество свидетельств существования замороженной воды в полярных районах Луны, но определение и оценка ее количества зависит от достоверности, точности, местоположения и распространенности. Пытаясь прояснить вопрос, я вкратце опишу то, что сообщается в основных наборах данных, а также – их недостатки и неточности (все начнется с наиболее точных методов измерения и постепенно придет к тем, чья точность - наименьшая), прежде чем говорить о том, что нам еще потребуется для того, чтобы расширить наше знание.
Падение аппарата «LCROSS»
9 октября 2009 года верхняя часть аппарата «Lunar Reconnaissance Orbiter» (LRO) под названием «Центавр» была медленно опущена на дно кратера Кабеус неподалеку от южного полюса Луны. Облако газа и пыли, появившееся после удара, наблюдалось не только следовавшим за ним спутником (который затем сам упал на Луну), но и летящим по орбите LRO космическим кораблем. Спутник наблюдал за воздействием солнечного света на выбрасываемые частицы и измерил поглощение света в ближнем инфракрасном спектре. Одновременно были обнаружены частицы водяного пара и льда, а также – ряд второстепенных компонентов в том числе – окись углерода, аммиак, метан и некоторые простые органические (углеродсодержащие) молекулы. Спектр точности наблюдений аппарата в ИК-диапазоне показывает, что весовой процент воды составляет примерно 5,6 ±2,9 %. Вопреки распространенному мнению, эта оценка оставалась верной еще восемь лет после события и не была скорректирована.
Коррективы были внесены устройством «LAMP» для оценки объема обнаруженных летучих паров в рамках миссии LRO. “LAMP” представляет собой спектрометр, работающий в ближнем УФ-диапазоне 100-200 нм. Этот прибор обнаружил явные свидетельства наличия в выброшенных частицах разнообразных элементов и двух молекул – угарного газа и водорода. Так как у нас гораздо меньше опыта интерпретации данных, полученных на Луне при УФ-свете, чем при ближнем ИК-излучении, результаты, опубликованные исследовательской группой «LAMP», были исправлены через год после первой публикации. В новых данных объему элементов, обнаруженных во время миссии «LCROSS» (коэффициент 5,47), была дана меньшая оценка, за исключением водорода, доля которого выросла с 1,4 весового % при предварительном анализе до 3,7 весового % при уточненных оценках. Для сравнения, обычная средняя концентрация водорода в лунной почве – примерно 50 частиц на миллион (0,005 весового процента), в то время как при выбросе после посадки «LCROSS» это число подскочило до 740 частиц.
Вода в виде пара и мелких частиц, а также молекулярный водород были высвобождены в результате посадки аппарата. Вероятно, что большое количество водорода, как в виде атомов, так и молекул (водород, гидроксогруппа, вода) было сформировано в полярных кратерах. Спектральный анализ в ближней области ИК-излучения и дальней области УФ-излучения наводит на значения около 2-10 весовых процентов. Это говорит о том, что выброс случился на глубине 2-5 метров.
Нейтронная спектрометрия
Этот метод измеряет количество и энергию нейтронов. Нейтроны появляются в галактическом пространстве и взаимодействуют с лунной поверхностью, где большая часть средней энергии нейтронов поглощается атомами водорода. Таким образом, если мы наблюдаем слабый поток подобных нейтронов во время полета над Луной, мы делаем вывод о наличии там избыточного водорода. Составление карты потока нейтронов служит лишь для обнаружения водорода и не сообщает нам о его форме (атомной, молекулярной или в виде вкраплений в минералах).
Нейтронные спектрометры были и у аппарата «Lunar Prospector» 1998 года, и у современной миссии LRO. Обе миссии обнаружили большие объемы водорода со средним объемом 150 частиц на миллион (для сравнения – в обычных почвах его содержание – 50 частиц на миллион) над широтами в 80 градусе по направлению к полюсам. У нейтронных спектрометров - ненаправленный обзор, и разрешение инструмента примерно равно его высоте над поверхностью Луны (в этом случае – 30-50 км). Следовательно, мы не видим на этих картах деталей меньше 30-50 км. Если допустить, что сигнал нейтрона исходит от водорода во льду - единственном устойчивом веществе в вечно темных кратерах, то спектроскопия говорит о том, что средний весовой процент воды в них – около 1,5 %. К тому же, эти данные не исключают наличие более высоких концентраций в некоторых кратерах, так как при существующих данных они могут быть найдены не только в темных впадинах. Более того, сигнал от нейтрона излучается только из верхних слоев лунной поверхности, что означает невозможность наличие или концентрацию водорода на больших глубинах.
Радар
Поиск воды рядом с южным полюсом Луны был целью миссии «Клементины» 1994 года (отчет опубликован в 1996 году). Радар не «чувствует» воду напрямую, но ее отражательные свойства используются для обнаружения прозрачного вещества на радиочастотах. Поляризованные радиоволны отправляются на обычную поверхность планеты, а волны с правой поляризацией возвращаются к антенне как волны с левой поляризацией. Соотношение принятой мощности «аналогичного направления» к принятой мощности «противоположного направления» называется соотношением круговой поляризации (СКП). Обычно поверхность Луны обладает СКП меньше единицы (то есть отражается больше волн «противоположного направления», чем «аналогичного»). Однако, два типа целей создают высокое СКП: крайне труднопроходимая, каменистая поверхность и водный лед. К примеру, первый тип может представлять собой очень молодой кратер от недавнего столкновения, создавшего плотное облако угловатых камней (к примеру, Тихо). В качестве примеров водяного льда служат ледяные спутники Юпитера (Европа, Ганимед и Каллисто) и содержимое полярных кратеров Меркурия, которые, вероятно, заполнены, в основном, водяным льдом.
Аппарат «Клементина» обнаружил высокое СКП во время пролета над южным полюсом Луны. Однако из-за неоднозначности СКП этот результат не был принят всеми, как доказательство наличия водяного льда. В 2008 году индийский аппарат «Чандраян-1» вывел на орбиту радар «Mini-SAR», служащий для составления карты лунных полюсов на основе полученных фотографий. Он обнаружил свидетельства существования на обоих полюсах аномальных кратеров с высоким СКП внутри (из-за вечной тьмы) и низким СКП на краях (из-за частичного проникновения солнечного света). Это обозначало, что на дне глубоких темных кратеров (холодных ловушек) может содержаться водный лед, возможно – в концентрациях в десятые доли процента. Схожие результаты получила модернизированная версия радара “Mini-RF” американской миссии «LRO».
И «Чандраян», и «LRO» дали моностатичные изображения, что обозначало, что передатчик освещал поверхность темных кратеров неподалеку от приемника. Следовательно, эти изображения всегда были нуль-фазовыми (линии прямой видимости). Если бы мы могли посмотреть за пределы нуль-фазы (то есть передавать в одном месте и принимать в другом при помощи бистатического радиолокатора), мы могли бы измерить зависимость СКП от фазового угла. Камень и лед обладают очень разной реакцией на изменение угла. Каменные поверхности обладают очень небольшим коэффициентом изменения фазы, в то время как лед показывает резкий и узкий (несколько градусов) пик, направленный к нулю.
Одной из причин, по которой мы интерпретировали данные с «Клементины» (она была бистатической станцией – передача с корабля и прием на Земле), как подтверждение наличия льда был его узкий пик усиления СКП около точки нуль-фазы. Недавно радар «Mini-RF» от «LRO» провел бистатические измерения кратера Кабеус (место падения аппарата «LCROSS» в 2009 году). Огромная радиоантенна в Аресибо (Пуэрто-Рико) использовалась как передатчик, а эхо принималось на борт космического аппарата «LRO». Результаты визуализации бистатического радара показали сильные пики на частотной кривой, схожие с теми, что были у корабля «Клементины» в 1994 году, что указывало на наличие значительных залежей льда, возможно – с концентрацией в несколько десятых долей весового процента. Радар отбирал образцы на глубине в 10-20 раз больше длины волны, в зависимости от плотности реголита. И «Клементина», и «Mini-RF» использовали S-диапазон (около 2380 МГц или волна длиной в 12,6 см) радиоволн, и, следовательно, образцы брались из слоя лунной поверхности глубиной в 2-3 метра.
Отражательная способность лазера и УФ
И лазерный высотомер (LOLA), и “LAMP” могут «смотреть» в темные полярные кратеры, но первый – за счет освещения темных областей собственным импульсом, а второй – за счет использования галактического ультрафиолета для создания изображения дна кратера. Оба прибора нашли свидетельства существования «замороженной» воды в некоторых районах у полюса. «LOLA» обнаружил, что дно полярных темных кратеров немного, но «ярче» (обладает большим альбедо), чем дно других кратеров. Это было интерпретировано, как доказательство наличия замороженной воды. Прямые наблюдения за альбедо кратеров близ Южного полюса посредством высокомощного УФ-излучения проводились непосредственно «LAMP». Оба метода использовали в качестве образца лишь микрон поверхности или около того, поэтому распространенность не может быть больше нескольких десятых долей процента.
Спектры в ближней ИК-области
В 2009 году с трех космических аппаратов: «Чандраян-1», «Кассини» и «EPOXI» поступили данные о поглощении около 3 микронов (3000 нм) лунной поверхности, начиная с 60 градуса широты и растущем при приближении к полюсам. Этот спектральный диапазон был создан гидроксогруппой и водой. Поглощение распространено в этой части Луны (миллионы км2) и, несмотря на то, что оно распространяется лишь на микроны в глубину, оно потенциально может быть крупнейшим хранилищем воды на Луне. Более того, это вещество в зависимости от положения в пространстве и времени суток обладает разной концентрацией, становясь тверже в более холодное утро и сумерки по местному времени. Концентрация воды неизвестна, но обоснованной цифрой считается около тысячи частиц на миллион (0,01 весового %).
Вывод
Итак, сколько же воды на полюсах Луны? У нас еще нет точного ответа, но после оценки объемов, увиденных на каждом полюсе (и учета метода и глубины местонахождения образцов), я предполагаю, что на каждом полюсе – от 100 миллионов до миллиарда метрических тон. Реальный объем льда в том или ином месте, его физическое состояние, глубина залегания и другие особенности все еще предстоит определить. Хотя многие орбитальные измерения будут стоить дорого, крайне важно в будущем иметь инструменты на самой поверхности Луны, на полюсах, чтобы сделать детальные съемки местности. Эти данные - предельно важны для формулирования удачных инженерных решений о расположении лунных аванпостов и подходе к сбору воды на Луне для создания новых возможностей для космических полетов и колоний.
