Водород в приполярном лунном грунте: источники и максимальное содержание

Методы поиска воды на безатмосферных небесных телах являются косвенными, так что получаемые результаты допускают альтернативные интерпретации. Так, методом нейтронной спектроскопии найдено распределение водорода на лунной поверхности и выявлен его избыток в полярных областях. Этот водород может не входить в состав молекул воды, а быть результатом имплантации протонов солнечного ветра. Нейтронный детектор LEND, установленный на аппарате LRO, позволил определить концентрацию водорода с лучшим пространственным разрешением, чем в эксперименте на КА «Лунар Проспектор», что предоставило новую информацию для анализа.
В этой связи необходимо (1) оценить наибольшую концентрацию водорода [H], которая допустима в приполярных областях, (2) указать его источники и (3) объяснить обнаруженные особенности его пространственного распределения.
Нейтронный детектор LEND выявил области с содержанием водорода вплоть до [H] = 470 ppm, если предполагать его однородно распределенным по глубине. В предположении, что он находится на глубинах 40, 50 и 60 см под слоем с [H] = 100 ppm, вычисленные значения [H] составили 600, 1200 и 4500 ppm, соответственно. Такая чувствительность результатов к параметрам модели не позволяет с уверенностью определить наибольшее значение [H]; тем не менее необходимо принимать во внимание весь указанный диапазон.
Расчеты показывают, что величина [H] = 470 ppm может быть достигнута даже при минимальных значениях удельной поверхности, измеренных для лунного грунта, если число атомов Н на единицу площади поверхности частицы грунта n = 3.7х10^17 см-2, что не превышает верхнего предела, обнаруженного в тех экспериментах по ионной имплантации, где протоны захватывались на радиационных дефектах.
Однако имеется и более эффективный механизм захвата – блистеринг, когда газ накапливается в пузырьках на глубине ионной имплантации. Это может произойти при низких температурах постоянно затененных областей Луны, когда дегазация имплантированных атомов крайне затруднена. Расчеты, проведенные в данной работе, показали, что в случае блистеринга n может достигать 5x10^18 и 10^19 см-2 при температурах 100 и 50 K, соответственно. Уже при минимальных значениях удельной поверхности грунта это дает [H] = 0.7 и 1.4 вес.% , что превышает верхний предел приведенный авторами эксперимента LEND.
Расчеты обратного рассеяния солнечного ветра лунным реголитом показали, что протоны, рассеянные освещенными участками поверхности, являются существенным дополнительным источником водорода в постоянно затененных областях (наряду земной магнитосферой, рассматривавшейся ранее как такой источник). Поэтому можно ожидать большей концентрации водорода в тех затененных кратерах, из которых видна наибольшая освещенная площадь, - что и наблюдалось в эксперименте LEND.
Таким образом, величина и пространственное распределение концентрации водорода, наблюдаемые для лунного грунта, могут быть объяснены имплантацией протонов солнечного ветра в отсутствие молекул воды.