Теоретическое моделирование полосы поглощения света лунной поверхностью вблизи 3 микрон: вода или протоны солнечного ветра?

Поиски воды на безатмосферных небесных телах представляют интерес как для понимания состава и эволюции этих тел, так и для осуществления длительных космических экспедиций. Высокие температуры при ударах водосодержащих комет о поверхность космических тел, а также летучесть водяного льда препятствуют отложению и сохранению молекул воды.
Для их поиска к настоящему времени использовались три метода дистанционного зондирования. Все они являются косвенными: в них обнаруживается не вода или лед H2O, а его отдельные элементы или свойства. Так, повышенная яркость полярных областей, выявляемая в радарных наблюдениях Меркурия, означает лишь низкие диэлектрические потери поверхности, характерные, в частности, для силикатов при низких температурах; нейтронная спектроскопия (КА «Лунар Проспектор») выявляет распределение водорода, а поглощение света около 3 мкм, может означать лишь наличие гидроксильных групп ОН. Как водород, так и группы ОН могут быть результатом имплантации протонов солнечного ветра, которые связываются с кислородом мишени, как это неоднократно наблюдалось в лабораторных экспериментах.
Открытие полос поглощения около 3 мкм в инфракрасных спектрах различных участков лунной поверхности вызвало новый всплеск интереса к проблеме. Главный вопрос, который при этом возникает: является ли обнаруженное поглощение доказательством наличия воды на Луне или возможны другие интерпретации этих наблюдений? Одной из таких интерпретаций является химическое связывание протонов солнечного ветра в гидроксильные группы ОН.
Чтобы проверить, может ли накопление протонов солнечного ветра вызвать наблюдаемое поглощение, было проведено теоретическое моделирование модификации типичных спектров морской и материковой областей лунной поверхности под действием ионоой имлпантации.
Спектр поглощения ОН в аморфизованном слое силиката, содержащего различные катионы в разнообразных конфигурациях, квазинепрерывен, поскольку спектральное положение максимума поглощения различно для OH групп, соседствующих с разными катионами, и зависит от расположения ближайших атомов. В различных облученных однокомпонентных окислах максимум поглощения колеблется между 2.73 и 3.2 мкм. Для моделирования спектра отражения были взяты 10 субполос 2.78 (0.26), 2.82 (0.05), 2.86 (0.09), 2.9 (0.11), 2.94 (0.11), 3.01 (0.09), 3.06 (0.07), 3.12 (0.07), 3.18 (0.05), 3.25 (0.05) и 3.35 (0.03) микрон. (В скобках приведены весовые множители, соответствующие долям поглощения на указанных длинах волн.) Ширина каждой субполосы и величина удельного поглощения в максимуме были взяты такими же, как наблюдались в экспериментах по облучению SiO2.
Оказалось, что указанный набор субполос воспроизводит наблюдаемые спектры при концентрации ОН на единицу площади поверхности частицы грунта 2х10^17 см-2. Это значение лежит между измеренным для образцов приэкваториального лунного грунта, и величиной насыщения, полученной в лабораторных экспериментах по облучению силикатов, которая может достигаться при низких температурах в полярных областях Луны.
Таким образом, наблюдаемые для лунного грунта глубины и форма полос поглощения света около 3 мкм могут быть вызваны химическим связыванием протонов солнечного ветра в отсутствие молекул воды.
Работа поддержана CRDF грант UKP2-2897-KK-07.