مطالعه ناسا اهمیت سایه‌های سطحی را در معمای آب ماه نشان می‌دهد!!

ماه با دهانه‌ها و صخره‌ها پوشیده شده است و این ناهمواریهای سطحی سایه ایجاد می‌کند، همانطور که در این عکس از ماموریت آپولو 17 در سال 1972 دیده می‌شود. این سایه‌های سرد ممکن است اجازه دهند یخ آب به صورت یخ زده حتی در روز تجمع یابد. ناحیه  ناهمواری در تصویر زیر مشخص شده است. اعتبار: ناسا

سایه‌هایی که بر اثر ناهمواری سطح ماه ایجاد می‌شود، نقاط سرد کوچکی را برای تجمع یخ آب حتی در طول روز سخت ماه ایجاد می‌کند.

دانشمندان مطمئن هستند که یخ‌آب را می‌توان در قطبهای ماه در دهانه‌های سایه دائمی یافت – به عبارت دیگر دهانه‌هایی که هرگز نور خورشید را دریافت نمی‌کنند. اما مشاهدات نشان می‌دهد یخ آب نیز در بیشتر قسمتهای ماه، حتی در طول روز وجود دارد. این یک معما است: مدلهای رایانه‌ای قبلی پیشنهاد می‌کردند که هر یخ آبی که در طول شب ایجاد می‌شود، با بالا آمدن خورشید در سرسو به سرعت بخار می‌شود.

بیجورن دیویدسون، دانشمند آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا می‌گوید: “بیش از یک دهه پیش، فضاپیماها وجود احتمالی آب را در سطح روز کره ماه تشخیص دادند و این توسط رصدخانه استراتوسفریک ناسا ستاره‌شناسی مادون قرمز [SOFIA] در سال 2020 تأیید شد.” در کالیفرنیای جنوبی “این مشاهدات، در ابتدا، غیرقابل تصور بودند: آب نباید در آن محیط سخت باقی بماند. این درک ما را از سطح ماه به چالش می‌کشد و سوالات جالبی در مورد نحوه باقی ماندن یخ آب بر روی اجسام بدون هوا ایجاد می‌کند.”

در یک مطالعه جدید، دیویدسون و همکار نویسنده‌اش سونا حسینی، محقق و دانشمند ابزار در JPL، پیشنهاد می‌کنند که سایه‌های ایجاد شده توسط “ناهمواری” سطح ماه پناهی برای یخ آب را فراهم می‌کند و باعث می‌شود که به صورت یخ سطحی به دور از سطح شکل بگیرد. قطب‌های ماه همچنین توضیح می‌دهند که چگونه خارج از کره ماه (گازهای کم حجم که مانند یک جو نازک عمل می‌کنند) می‌توانند نقش مهمی در این معما بازی کند.

بسیاری از مدل‌های کامپیوتری سطح ماه را ساده کرده و آن را صاف و بدون ناهمواری فرض می‌کنند. در نتیجه، اغلب تصور می‌شود که سطح دور از قطبها در طول روز  به طور یکنواخت گرم می‌شود  که باعث می‌شود یخ آب به مدت طولانی در سطح نور خورشید باقی بماند.

این تصویر بر روی ناحیه‌ای از جزئیات نشان داده شده در عکس قبلی بزرگنمایی می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه سایه‌ها باعث می‌شوند یخ آب در سطح ماه زنده می‌ماند. هنگامی که سایه‌ها با حرکت خورشید در سرسو حرکت می‌کنند، یخ آنقدر طولانی در معرض دید باقی می‌ماند که توسط فضاپیماها قابل تشخیص است. اعتبار: ناسا/JPL-Caltech

اما یکی از مشکلات این ایده این است که مشاهدات سطح ماه نشان می‌دهد که مقدار آب قبل از ظهر (زمانی که نور خورشید در اوج خود است) کاهش می‌یابد و بعداز ظهر افزایش می‌یابد. این نشان می‌دهد که آب ممکن است از یک مکان به مکان دیگر در طول روز قمری در حال حرکت باشد که اگر در داخل سنگ ماه یا  جایی به دام افتاده باشند، غیرممکن است.

دیویدسون و حسینی مدل رایانه‌ای را با توجه به ناهمواری سطحی که در تصاویر مأموریتهای آپولو از سال 1969 تا 1972 نشان داده است، تجدید نظر کردند که سطحی از ماه را نشان می‌دهد که  تخته‌سنگ‌ها در آنجا پراکنده شده است و دهانه‌ها را در خود جای داده است که حتی در نزدیکی ظهر مناطق سایه‌دار زیادی ایجاد می‌کند. دیویدسون و حسینی با در نظر گرفتن این ناهمواری سطحی در مدلهای رایانه‌ای خود توضیح می‌دهند که چگونه امکان ایجاد یخ در سایه‌های کوچک وجود دارد و چرا توزیع آب در طول روز تغییر می‌کند.

از آنجا که اتمسفر ضخیمی برای توزیع گرما در سطح وجود ندارد، مناطق بسیار سرد و سایه‌دار، جایی که درجه حرارت ممکن است تا منفی 350 درجه فارنهایت (منفی 210 درجه سانتیگراد) کاهش یابد،  مناطق گرم در معرض خورشید را که در آن درجه حرارت به حداکثر 240 فارنهایت (120 درجه سانتیگراد) برسد.

در روز، یخ سطحی ممکن است در این مناطق سایه‌دار سرد تجمع یابد که به آرامی در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد. سپس مولکولهای آب مجدداً روی سطح منجمد می‌شوند و در مکانهای سرد و سایه‌دار دیگر سرد تجمع می‌کنند.

یک نگاه نزدیکتر

در حالی که این اولین مطالعه‌ای نیست که هنگام محاسبه دمای سطح ماه ناهمواری سطحی را در نظر می‌گیرد، در کارهای قبلی به این نکته توجه نشده بود که سایه‌ها چگونه می‌توانند بر مولکول‌های آب در طول روز به صورت یخ باقی بمانند. این مطالعه جدید از آن جهت اهمیت دارد که به ما در درک بهتر نحوه انتشار و خارج شدن آب کره ماه کمک می‌کند.

یک فرضیه این است که مولکولهای آب در داخل مواد ماه (سمت چپ) به دام افتاده‌اند. اما یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که مولکول های آب (سمت راست) به صورت یخ در سطح در سایه‌های سرد باقی می‌مانند و از طریق لایه بیرونی نازک به نقاط سرد دیگر منتقل می‌شوند. اعتبار: ناسا/JPL-Caltech

حسینی گفت: “درک وجود آب به عنوان یک منبع برای ناسا و تلاشهای تجاری برای اکتشافات آینده انسان در ماه ضروری است.” “اگر آب به صورت یخ در مناطق آفتابی ماه در دسترس باشد، کاشفان آینده ممکن است از آن به عنوان منبع سوخت و آب آشامیدنی استفاده کنند. اما ابتدا، ما باید چگونگی تعامل بین کره و سطح و نقش آن را در چرخه بیابیم. “

برای آزمایش این نظریه، حسینی تیمی را هدایت می‌کند تا سنسورهای فوق مینیاتوری را برای اندازه‌گیری سیگنالهای ضعیف یخ آب ایجاد کند. طیف‌سنج کوچک مینیاتوری Heterodyne OH (HOLMS) در حال توسعه است تا در کاوشگرهای کوچک ثابت یا سطح‌نوردهای مستقل استفاده شود-برای مثال ربات Explorer تاشو  JPL (A-PUFFER)-که ممکن است به ماه ارسال شود. در آینده اندازه‌گیری مستقیم هیدروکسیل (مولکولی که شامل یک اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن است) را انجام می‌دهد.

هیدروکسیل که پسر عموی مولکولی آب است (مولکولی با دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن)، می‌تواند به عنوان شاخص میزان آب موجود در خارج از کره عمل کند. هم آب و هم هیدروکسیل می‌توانند در اثر برخورد شهاب‌سنگ و برخورد ذرات باد خورشیدی به سطح ماه ایجاد شوند، بنابراین اندازه‌گیری حضور این مولکول‌ها در خارج از کره ماه می‌تواند مقدار آب ایجاد شده را نشان دهد در حالی که نحوه حرکت آن را از مکانی به مکان دیگر نشان می‌دهد. اما زمان برای انجام این اندازه‌گیری‌ها بسیار مهم است.

حسینی گفت: “اکتشاف کنونی ماه توسط چندین کشور و شرکت‌های خصوصی نشان دهنده تغییرات مصنوعی قابل توجهی در محیط ماه در آینده نزدیک است.” “اگر این روند ادامه یابد، ما فرصت درک محیط طبیعی ماه را از دست می‌دهیم، به ویژه آبی که در حال گردش در خارج از کره ماه است. “

محققان خاطرنشان می‌کنند که این مطالعه جدید می‌تواند به ما در درک بهتر نقش سایه‌ها در تجمع مولکول‌های یخ آب و گاز در خارج از ماه مانند مریخ یا حتی ذرات حلقه‌های زحل کمک کند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

NASA study highlights importance of surface shadows in moon water puzzle

by Jet Propulsion Laboratory

https://phys.org/news/2021-08-nasa-highlights-importance-surface-shadows.html