Led na Měsíci (1/3)

Jeden z minulých blogů byl věnován možnosti těžby kovů a kyslíku z lunárního regolitu. Jak je to ale s vodou – nebo s ledem? Toto je první díl trojdílného blogu o vodě na Měsíci. (délka blogu 5 min.)

Na Měsíci má být led? Vždyť tam není voda ani atmosféra

I když to vypadá podivně, Měsíc má skutečné zásoby vodního ledu. Je ukrytý v místech, kam nikdy nedopadá sluneční světlo. A to ještě není všechno, tento led totiž může být navíc ještě hodně starý. Jak se vlastně dostal na Měsíc, proč tam vydržel i navzdory absenci atmosféry a co všechno nám jeho přítomnost prozrazuje o vesmíru?

Led na Měsíci

Na Měsíci existují oblasti, kam nikdy nedopadají sluneční paprsky. Zkráceně se jim říká PSR (z anglického Permanently Shadowed Regions). Tato místa se nacházejí v hlubokých kráterech u pólů. Jsou to nejchladnější místa na Měsíci – teploty tu nikdy nevystoupají nad −160 °C (110 K).

Vzhledem k tomu, že tu panuje takový mráz, se led v těchto oblastech v místním vakuu neodpařuje. Alespoň ne v běžném slova smyslu. Rychlost, jakou se odtud voda může dostat pryč (tzv. sublimace), je extrémně pomalá – třeba jen pár centimetrů ledu za miliardu roků. V takových podmínkách se tedy i velmi tenká ledová vrstva dokázala zachovat po celou geologickou historii Měsíce.

^{Ilustrace: Zdroj: D. Tenzler}

Sublimace je mimochodem jev, který je na teplotu velmi citlivý – rozdíl jen 5 stupňů Kelvina (např. mezi 109 K a 114 K) dokáže změnit rychlost ztráty ledu až desetinásobně. Ledová vrstva může být tvořena krystalickým nebo amorfním ledem – amorfní druh vzniká při velmi nízkých teplotách a má mírně vyšší tlak par, což znamená, že by se měl odpařovat rychleji. Ve skutečnosti je však rozdíl jen velmi malý.

Podmínky pro vznik ledové zásobárny

Aby led mohl vůbec vzniknout a udržet se, musí být splněny tři podmínky: musí existovat zastíněné oblasti, do kterých se musí nějak dostat voda, a ztráta ledu musí být menší než přísun vody.

Všechny tyto podmínky si uvědomil už v roce 1961 tým vědců vedený Watsonem, Murrym a Brownem. Tehdy jsme o Měsíci skoro nic nevěděli, a přesto se jejich model dodnes používá jako základ většiny teorií o měsíčním ledu.

V literatuře se můžete setkat s výrazem stabilní led. To ve skutečnosti není úplně přesné. Led se nebude v nalezištích na Měsíci nacházet navždy - ale jeho ztráta je velmi velmi pomalá, pomalejší než jeho přísun. V tomto smyslu platí, že se led v PSR v dlouhodobém průměru může udržet po dlouhou dobu a navíc se v průběhu času jeho zásoby dokonce mohou zvyšovat.

Přesto se dá nález ledu přímo na povrchu Měsíce považovat za šťastnou náhodu. I když se odpařuje jen velice pomalu, je přesto pořád ještě vystaven ionizujícímu záření, mikrometeoritům a dalším vesmírným vlivům.

Led, který se nachází pod povrchem, pak může být před těmito vlivy chráněný a je tedy ještě stabilnější. Je ovšem samozřejmě zase těžší ho objevit.

K našemu štěstí je měsíční povrch pokrytý velmi jemným a chladným prachem nazývaným regolit, který má extrémně nízkou tepelnou vodivost – je to lepší izolant než většina přírodních materiálů, které známe ze Země. Můžeme tedy vycházet z toho, že se pod ním skrývá vrstva ledu - alespoň v některých oblastech.

Zachycení vody pod povrchem - tzv. studené pasti

Přímo pod povrchem Měsíce se voda může zadržovat díky zajímavému efektu, kterému vědci říkají čerpání páry (vapor pumping). Funguje následujícím způsobem.

Voda na povrchu existuje ve formě molekul přichycených k zrnkům prachu.

Střídání dne a noci (připomeňme si, že jsou na Měsíci intenzivnější, protože den i noc tu trvají zhruba 14 dní, takže se může naplno uplatnit vliv horka i zimy) způsobují teplotní výkyvy, díky kterým se molekuly postupně dostávají hlouběji pod povrch.

Pokud se dostanou až do hloubky, kde je dost chladno, molekuly tam zmrznou a zůstanou tu zachycené v pomyslné studené pasti.

Tento proces probíhá velmi pomalu a led se může hromadit pouze tam, kde je stálý přísun molekulární vody, pocházející například z řídké měsíční exosféry nebo jako vedlejší produkt slunečního větru.

Když se může voda hromadit dostatečně dlouho, mohou se tak vytvořit i poměrně velké zásoby ledu dokonce i tam, kam občas pronikají sluneční paprsky - tedy mimo oblasti PSR.

Putování pólů a stáří ledu

Během dlouhé historie Měsíce se osa jeho rotace měnila, a tím se měnila i poloha oblastí, které byly ve věčném stínu. Vědci dnes odhadují, že dnešní PSR - a tedy i podmínky pro zachytávání ledu - existují zhruba jen poslední 2 miliardy roků.

Led samozřejmě na Měsíci mohl být ukládán v různých oblastech i dříve, byl ovšem pravděpodobně už před dlouhou dobou zničen změnami rotační osy nebo dopady asteroidů.

Jak se dostává voda na Měsíc

Voda se na Měsíc může dostat jednorázově, například díky kometám, asteroidům nebo třeba aktivitě sopek. Pravidelně a trvale se sem dostává třeba díky slunečnímu větru. Protony, ze kterých se příjmem elektronu tvoří atomy vodíku, jsou totiž jeho součástí.

Přitom se dá vycházet z toho, že se může podpovrchový led tvořit jen při trvalém přísunu vody. Trvá to totiž tisíce nebo miliony roků. Starý led mohl do dnešní doby přežít jen tehdy, pokud je pořádně chráněný.

Z jedné oblasti do druhé se vodní molekuly mohou přesouvat přes tzv. exosféru - extrémně řídkou obálku molekul, která se nachází přímo nad měsíčním povrchem. Dalo by se to přirovnat ke skákání žabek (oblázků) na vodní hladině. To znamená, že když se molekula vody uvolní na jednom místě, může se skoky přesunout i o stovky kilometrů a dostat se tak do jiné oblasti - například do PSR. Pak už jí nic nebrání, aby v tomto místě nebyla zachycena na další miliardy roků. Vědci odhadují, že je takový přenos dokonce velmi častý a účinný a koncentruje většinu vody v polárních oblastech – což je hlavní důvod, proč tu vůbec led máme.

Měsíc je tedy velice suchý, pustý a je zároveň bez atmosféry - ale díky pomalým procesům si uchovává vzácné stopy vody. Nejsou to řeky ani ledovce. Jsou to tenké nebo i silnější vrstvy ledu v měsíčním stínu, pod povrchem, pod vrstvou prachu. A ty jsou zároveň klíčem k budoucnosti lidské přítomnosti ve vesmíru. Jednoho dne je budou lidé využívat jako zdroj vody ve svých koloniích.

Zdroj: Odkaz