Estudio de la NASA destaca la importancia de las sombras superficiales en el rompecabezas del agua de la Luna

La Luna está cubierta de cráteres y rocas, creando una superficie rugosa que proyecta sombras, como se ve en la fotografía de la misión Apolo 17 de 1972. Estas sombras frías pueden permitir que el hielo se acumule en forma de escarcha incluso durante el día. El área de detalle se amplía en la tercera imagen de este artículo.
Crédito: NASA.

Las sombras proyectadas por la rugosidad de la superficie de la Luna crean pequeños puntos fríos permitiendo que el hielo de agua se acumule incluso durante el duro día lunar.

Los científicos confían en que se puede encontrar hielo de agua en los polos de la Luna dentro de cráteres permanentemente sombreados, en otras palabras, cráteres que nunca reciben luz solar. Pero las observaciones muestran que el hielo de agua también está presente en gran parte de la superficie lunar, incluso durante el día. Esto es un acertijo: los modelos informáticos anteriores sugirieron que cualquier hielo de agua que se forme durante la noche lunar debería ‘quemarse’ rápidamente a medida que el Sol asciende por encima.

«Hace más de una década, una nave espacial detectó la posible presencia de agua en la superficie del lado diurno de la Luna. Esto fue confirmado por el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja [ SOFIA ] de la NASA en 2020″, dijo Björn Davidsson. Él es científico del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. en el sur de California. “Estas observaciones fueron, al principio, contradictorias: el agua no debería sobrevivir en ese entorno hostil. Esto desafía nuestra comprensión de la superficie lunar. Plantea preguntas intrigantes sobre cómo los volátiles, como el hielo de agua, pueden sobrevivir en cuerpos sin aire”.

En un nuevo estudio, investigadores del JPL sugieren que las sombras creadas por la «rugosidad» de la superficie lunar proporcionan refugio para el hielo de agua. Esto le permite formarse como escarcha superficial lejos de los Polos lunares. También explican cómo la exosfera de la Luna (los tenues gases que actúan como una atmósfera delgada) pueden tener un papel importante en este rompecabezas. Los autores son Davidsson y Sona Hosseini, investigadora y científica de instrumentos del JPL.

Trampas de agua y bolsas de escarcha

Muchos modelos de computadora simplifican la superficie lunar, haciéndola plana y sin rasgos distintivos. Como resultado, a menudo se asume que la superficie alejada de los polos se calienta uniformemente durante el día lunar. Esto haría imposible que el hielo de agua permaneciera en la superficie iluminada por el Sol durante mucho tiempo.

Entonces, ¿cómo es que se detecta agua en la Luna más allá de las regiones en sombra permanente? Una explicación para la detección es la siguiente. Las moléculas de agua pueden quedar atrapadas dentro de la roca o el vidrio de impacto creado por el calor y la presión de los meteoritos. Fusionada dentro de estos materiales, como sugiere esta hipótesis, el agua puede permanecer en la superficie. Esto es así incluso cuando es calentada por el Sol mientras crea la señal que fue detectada por SOFIA.

Una hipótesis es que las moléculas de agua están atrapadas en el material lunar (Izquierda). Pero un nuevo estudio postula que las moléculas de agua (derecha) permanecen como escarcha en las sombras frías. Además se mueven hacia otras zonas frías a través de la exosfera.
Crédito:
NASA / JPL – Calthec.

Pero un problema con esta idea es que las observaciones de la superficie lunar muestran algo particular. La cantidad de agua disminuye antes del mediodía (momento cuando la luz solar está en su punto máximo) y aumenta por la tarde. Esto indica que el agua puede estar moviéndose de un lugar a otro durante el día lunar. Esto sería imposible si quedaran atrapadas dentro de una roca lunar o un vidrio de impacto.

Davidsson y Hosseini revisaron el modelo informático para tener en cuenta la rugosidad aparente de la superficie en las imágenes de las misiones Apolo. (Estas misiones tuvieron lugar de 1969 a 1972). Muestran una superficie lunar sembrada de rocas y salpicada de cráteres, creando muchas áreas sombreadas incluso cerca del mediodía. Al tener en cuenta esta rugosidad de la superficie en sus modelos informáticos, Davidsson y Hosseini, aclaran el problema. Explican cómo es posible que se forme escarcha en las pequeñas sombras y por qué la distribución del agua cambia a lo largo del día.

No hay una atmósfera espesa para distribuir el calor alrededor de la superficie de la Luna, entonces puede suceder lo siguiente. En las áreas sombreadas y extremadamente frías, las temperaturas pueden caer en picada a aproximadamente 350 grados Fahrenheit (menos 210 grados Celsius). Estas áreas pueden ser vecinas de áreas calientes expuestas al Sol, donde las temperaturas pueden alcanzar como hasta 240 Fahrenheit (120 Celsius).

Cuando el Sol recorre el día lunar, la escarcha de la superficie acumulada en estas áreas frías y sombreadas se expone lentamente a la luz solar. Entonces se cicla hacia la exosfera de la Luna. Las moléculas de agua se vuelven a congelar en la superficie y se vuelven a acumular como escarcha en otros lugares fríos y sombreados.

Esta ilustración amplía el área en el recuadro de la primera imagen. Muestra cómo las sombras permiten que el hielo de agua sobreviva en la superficie lunar iluminada por el Sol. Cuando las sombras se mueven mientras el Sol sigue su trayectoria, la escarcha expuesta permanece lo suficiente para ser detectada por una nave espacial.
Crédito: NASA / JPL – Calthec.

“La escarcha es mucho más móvil que el agua atrapada”, dijo Davidsson. «Por lo tanto, este modelo proporciona un nuevo mecanismo que explica cómo se mueve el agua entre la superficie lunar y la fina atmósfera lunar».

Una mirada más cercana

Este no es el primer estudio que considera la rugosidad de la superficie al calcular las temperaturas de la superficie lunar. Pero el trabajo previo no tuvo en cuenta algo fundamental. Cómo las sombras afectarían la capacidad de las moléculas de agua para permanecer en la superficie durante el día como escarcha. Este nuevo estudio es importante porque nos ayuda a comprender mejor cómo se libera y elimina el agua lunar en la exosfera de la Luna.

“Entender el agua como un recurso es esencial para la NASA y los esfuerzos comerciales para la futura exploración lunar humana”, dijo Hosseini. “Si hay agua disponible en forma de escarcha en las regiones de la Luna iluminadas por el Sol, es importante para los futuros exploradores. Pueden utilizarla como recurso para combustible y agua potable. Pero primero, debemos averiguar cómo interactúan la exosfera y la superficie y qué papel juega eso en el ciclo».

Para probar esta teoría, Hosseini está liderando un equipo para desarrollar sensores ultraminiatura para medir las señales débiles del hielo de agua. El Espectrómetro Miniaturizado Lunar Heterodyne OH (HOLMS) se está desarrollando para ser utilizado en pequeños módulos de aterrizaje estacionarios o rovers autónomos. Tal es el caso del Robot Explorador Plegable Plano Emergente Autónomo del JPL ( A-PUFFER ), por ejemplo. Este podrá enviarse a la Luna en el futuro para realizar mediciones directas de hidroxilo (una molécula que contiene un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno).

El hidroxilo, es un primo molecular del agua (una molécula con dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno). Puede servir como indicador de la cantidad de agua que puede haber en la exosfera. Tanto el agua como el hidroxilo podrían ser creados por impactos de meteoritos y por partículas de viento solar que golpean la superficie lunar. Entonces medir la presencia de estas moléculas en la exosfera de la Luna puede revelar cuánta agua se está creando. Pero al mismo tiempo mostrar cómo se mueve de un lugar a otro. El tiempo es fundamental para realizar esas mediciones.

“La exploración lunar actual de varias naciones y empresas privadas indica cambios artificiales significativos en el entorno lunar en un futuro próximo”, dijo Hosseini. “Si esto continúa, perderemos la oportunidad de comprender el entorno lunar natural, particularmente el agua que circula a través de la exosfera prístina de la Luna. En consecuencia, el desarrollo avanzado de instrumentos ultracompactos y de alta sensibilidad es de vital importancia y urgencia».

Los investigadores señalan que este nuevo estudio podría ayudarnos a comprender mejor el papel que juegan las sombras en la acumulación de hielo de agua y moléculas de gas más allá de la Luna, como en Marte o incluso en las partículas de los anillos de Saturno.

El estudio, titulado «Implicaciones de la rugosidad de la superficie en modelos de desorción de agua en la Luna», se publicó en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 2 de Agosto de 2021.

Fuente: NASA Jet Propulsion Laboratory – California Institute of Technology.

Artículo original: NASA Study Highlights Importance of Surface Shadows in Moon Water Puzzle.

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Una mirada más clara a la hidratación de la superficie lunar

La hidratación (en azul) en la superficie lunar observada desde la Instalación del Telescopio Infrarrojo de la NASA. Se ve aquí superpuesta a una imagen de la Luna adquirida por el Orbitador de Reconocimiento Lunar. 
Crédito: NASA , modificado por Casey I. Honniball.

Las observaciones terrestres de la Luna independientes confirman observaciones anteriores de naves espaciales de que la hidratación en la superficie lunar varía con la temperatura. El siguiente artículo lo presenta y contiene una selección de recursos sobre el agua en la Luna.

SOFIA descubre agua en la superficie de la Luna iluminada por el Sol

Esta ilustración destaca el cráter Clavius ​​de la Luna con una ilustración que representa el agua atrapada en el suelo lunar allí. Está acompañada con una imagen del Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA) que encontró agua en la parte de la Luna iluminada por el Sol.
Créditos: NASA / Daniel Rutter
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El Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA) ha confirmado, por primera vez, la presencia de agua en la superficie de la Luna iluminada por el Sol. Este descubrimiento indica que el agua puede estar distribuida por la superficie lunar, y no se limita a lugares fríos y sombreados. El trabajo a continuación lo expone y contiene recursos sobre el tema.

Curiosidades

Primera evidencia de que la magnetosfera de la Tierra puede crear agua en la superficie lunar

Representación artística de la Luna en la magnetosfera terrestre, con el «viento de la Tierra». Éste está compuesto por iones de oxígeno (gris) e iones de hidrógeno (azul brillante) que fluyen, que pueden reaccionar con la superficie lunar para crear agua. 
La Luna pasa más del 75% de su órbita en el viento solar (amarillo), que está bloqueado por la magnetosfera el resto del tiempo. (Agrandar imagen).
Crédito: E. Masongsong, UCLA EPSS, NASA GSFC SVS.

Antes de la era Apolo, se pensaba que la Luna estaba seca como un desierto debido a las temperaturas extremas y la dureza del entorno espacial. Desde entonces, muchos estudios han descubierto agua lunar. Hielo en cráteres polares sombreados, agua ligada a rocas volcánicas e inesperados depósitos de hierro oxidado en el suelo lunar. A pesar de estos hallazgos, todavía no hay una confirmación verdadera de la extensión u origen del agua superficial lunar.

La teoría predominante es que los iones de hidrógeno cargados positivamente propulsados ​​por el viento solar bombardean la superficie lunar. Al hacerlo, reaccionan espontáneamente para producir agua (como hidroxilo (OH – ) y molecular (H 2 O)). Pero, un nuevo estudio multinacional publicado en Astrophysical Journal Letters propone que el viento solar puede no ser la única fuente de iones formadores de agua. Los investigadores muestran que las partículas de la Tierra también pueden sembrar la Luna con agua. Esto implica, que otros planetas también podrían aportar agua a sus satélites.

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