Un estudio de la NASA destaca la importancia de las sombras superficiales de la Luna en el agua

Las sombras proyectadas por la rugosidad de la superficie de la Luna crean pequeñas zonas frías donde el hielo de agua se acumula incluso durante el 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, los cráteres que nunca reciben luz del sol. Pero las observaciones muestran que el hielo de agua también está presente en gran parte de la superficie lunar, incluso durante el día. Los modelos informáticos anteriores sugirieron que cualquier hielo de agua que se forme durante la noche lunar debería desaparecer rápidamente a medida que el Sol levanta sobre el horizonte.

“Hace más de una década, una nave espacial detectó la posible presencia de agua en la superficie del lado diurno de la Luna, y esto fue confirmado por el Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) de la NASA en 2020″, dijo Björn Davidsson, científico del Jet Propulsion Laboratory 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 y plantea preguntas intrigantes sobre cómo los volátiles, como el hielo de agua, pueden sobrevivir en cuerpos sin aire”.

En un nuevo estudio, Davidsson y la coautora Sona Hosseini, científica investigadora e instrumental del JPL, sugieren que las sombras creadas por la “rugosidad” de la superficie lunar proporcionan refugio para el hielo de agua, lo que le permite formarse como escarcha superficial lejos del Polos lunares. También explican cómo la exosfera de la Luna (los tenues gases que actúan como una delgada atmósfera) puede desempeñar un matiz clave en este rompecabezas.

Esta ilustración amplía el área indicada en la foto anterior, mostrando 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 aparente, la escarcha expuesta permanece lo suficiente para poder ser detectada por la nave espacial.
Créditos: NASA/JPL-Caltech.
Trampas de agua y bolsas de escarcha

Muchos modelos informáticos 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, lo que 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 en otros lugares además de las regiones en sombra permanente? Una explicación para esta detección es que las moléculas de agua pueden quedar atrapadas dentro de la roca o el vidrio de impacto creado por el alto calor y presión de los meteoritos. Fusionada dentro de estos materiales, como sugiere esta hipótesis, el agua puede permanecer en la superficie incluso cuando es calentada por el Sol, creando así la señal que fue detectada por SOFIA. Pero un problema de esta teoría es que las observaciones de la superficie lunar han mostrado que la cantidad de agua disminuye antes del mediodía y aumenta por la tarde. Esto indica que el agua puede estar moviéndose de un lugar a otro durante el día lunar, lo que no encajaría con la idea de que quede atrapada dentro de una roca lunar o un vidrio de impacto.

Davidsson y Hosseini revisaron el modelo informático para tener en cuenta la rugosidad de la superficie de las imágenes de las misiones Apolo de 1969 a 1972, que muestran una superficie lunar sembrada de rocas y salpicada de cráteres, creando de esta forma muchas áreas sombreadas incluso cerca del mediodía. Al tener en cuenta esta rugosidad de la superficie en sus modelos informáticos, Davidsson y Hosseini 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.

Debido a que no hay una atmósfera espesa para distribuir el calor alrededor de la superficie, las áreas sombreadas y extremadamente frías, donde las temperaturas pueden caer en picado a aproximadamente menos 210 grados Celsius, pueden ser contiguas a áreas calientes expuestas al sol, donde las temperaturas pueden alcanzar hasta 120 Celsius.

A medida que el Sol recorre su trayectoria aparente provocando el día lunar, la escarcha de la superficie que se puede acumular en estas áreas frías y sombreadas se expone lentamente a la luz solar y 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. “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 hipótesis es que las moléculas de agua están atrapadas dentro del material lunar (izquierda). Pero un nuevo estudio postula que las moléculas de agua (derecha) permanecen como escarcha en la superficie en sombras frías y se mueven a otros lugares fríos a través de la fina exosfera.
Créditos: NASA/JPL-Caltech.
Una mirada más de cerca

Si bien este no es el primer estudio que considera la rugosidad del terreno para calcular las temperaturas de la superficie lunar, el trabajo anterior no tuvo en cuenta cómo las sombras afectarían la capacidad de las moléculas de agua para permanecer en la superficie durante el día en forma de 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 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, los futuros exploradores podrán utilizarla como recurso para combustible y agua potable. Pero primero, debemos averiguar cómo interactúan la exosfera y la superficie, y qué papel juega 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 Heterodyne OH Lunar Miniaturized Spectrometer (HOLMS) se está desarrollando para su uso en pequeños módulos de aterrizaje estacionarios o vehículos autónomos, como el robot explorador de JPL (A-PUFFER), por ejemplo, que puede 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, que 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, por lo que medir la presencia de estas moléculas en la exosfera de la Luna puede revelar cuánta agua se está creando y al mismo tiempo mostrar cómo se mueve de un lugar a otro. Pero el tiempo es fundamental para realizar esas mediciones.

“La actual exploración lunar de varias naciones y empresas privadas indica cambios artificiales significativos en el entorno lunar en un futuro próximo”, dijo Hosseini. “Si esta tendencia 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 “Implications of surface roughness in models of water desorption on the Moon”, se publicó en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 2 de agosto de 2021.

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.