Ay'da su

Ay'da su, Ay'ın yüzeyinde bulunan sudur. Sıvı haldeki su Ay'ın yüzeyinde kalamaz ve su buharı Güneş ışığı tarafından ayrıştırılarak ortaya çıkan hidrojen çabucak uzay boşluğunda kaybolur. Fakat 1960'lardan beri bilim insanları, Ay'ın kutuplarında soğuk ve devamlı gölgede kalan kraterlerde buzun varlığını sürdürebileceğini tahmin etmişlerdi. Su molekülleri ayrıca Ay yüzeyi üzerindeki ince gaz tabakasında tespit edilmiştir.
Su (H2O) ve kimyevi olarak onunla bağıntısı olan hidroksil grubu (-OH), kimyasal olarak (serbest su yerine başka) bileşikler halinde Ay minerallerinin hidratlar ve hidroksitleri olarak da varlıklarını sürdürebilirler. Bu bileşiklerin düşük konsantrasyonlarda Ay yüzeyinin büyük bir kısmında var olduğuna dair güçlü deliller mevcuttur. Aslında adsorbe edilmiş suyun iz konsantrasyonlarda varlığı milyonda 10 ila 1000 parça olarak hesaplanmıştır. 1978'de Soviet Luna 24 sondasının geri getirdiği örneklerde kütle olarak %0,1 su ihtiva ettiği rapor edilmiştir.
Ay kutuplarında serbest su buzu bulunduğuna dair kesin olmayan deliller, bağlı hidrojenin varlığını farz eden muhtelif rasatlarda edinilmiştir.
18 Kasım 2008'de Ay'a Çarpış sondası (İng. Moon Impact probe), Hindistan'ın Chandrayaan-1 uzay aracınca Ay yüzeyinin 100 kilometre üzerinden bırakıldı. 25 dakikalık iniş sürecinde Çarpış sondasıda bulunan Chandra'nın Yükselti Kompozisyonu (CHACE) aleti, Ay'ın yüzeyi üzerinde bulunan ince atmosferden aldığı 650 kütle spektrumuyla suyun var olduğuna dair deliller topladı. Eylül 2009'da Chandrayaan-1, Ay'da suyun varlığını ve hidroksil soğurma çizgilerini yansımış Güneş ışığında tespit etti. Kasım 2009'da NASA'nın verdiği raporda LCROSS uzay sondasının güney kutup katerlerinden birine vuran bir çarpış sondası tarafından hatırı sayılır miktarda hidroksil grubu bileşiklerinin etrafa fırlatıldığını tespit etti; bu bileşikler su taşıyan malzemelere atfedilebilir ki bu, "neredeyse tamamen saf kristal su buzu" olarak görünmektedir. Mart 2010'da Chandrayaan-1'de bulunan Mini-RF'nin Ay'ın kuzey kutbuna yakın yerde 40'tan fazla devamlı karanlık kalan krater tespit ettiği haber edildi. Bu karanlık kraterlerin muhtemelen 600 milyon ton su buzu ihtiva ettiği tahmin edilmektedir.
Su, Ay'a muhtemelen jeolojik zaman aşımlarında su taşıyan kuyruklu yıldızlar, asteroitler ve meteoroitlerce veya yerli yerinde Güneş rüzgarının hidrojen iyonları (protonlar) tarafından oksijen taşıyan minerallere çarparak elde edilmiş olabilir.
Ay'da suyun varlığı için yapılan arama, bilhassa uzun dönemli Ay yerleşimini büyük ölçüde mümkün kıldığından hatırı sayılır derecede ilgi çekti ve birçok yeni ay misyonu için motivasyon oldu.
Ay'daki suyun keşfi
24 Eylül 2009 tarihinde Science mecmuası, Hindistan Uzay Araştırma Teşkilatı'nın (HUAT) Chandrayaan-1 uydusunda bulunan bulunan Moon Mineraloji Mapper (M3) aletinin Ay'da su tespit ettiğini bildirdi.
M3 M3, Ay'ın yüzeyinde 2,8-3,0 mikrometre civarında soğurma özellikleri tespit etti. Silikat cisimler için bu tür özellikler, tipik olarak hidroksil veya içinde su içinde su bulunduran malzemelere atfedilir. Ay'da daha çok soğuk yüksek enlemlerde ve birkaç taze feldspatlı kraterde en fazla görünen bu özellik, yaygın olarak dağılmış bir absorpsiyon olarak görülüyor. Bu özelliğin Güneş almış M3 verileriyle nötron spektrometresiyle alınmış H çokluğu verileri arasındaki genel korelasyon eksikliği, OH ve H2O oluşumu ve saklamasının devam eden yüzeysel bir süreç olduğunu göstermektedir. OH/H2O üretimi süreçleri kutuptaki soğukluk tuzaklarını besleyebilir ve Ay regolitini uçucuların insanlarca keşfi için aday bir kaynak yapabilir.
Bir görüntüleme spektrometresi olan Moon Mineralogy Mapper (M3), 29 Ağustos 2009'da misyonu ani olarak biten Chandrayaan-1 misyonuyla uçan 11 aletten biriydi. M3ün hedefi bütün Ay yüzeyinin ilk mineral haritasını sağlamaktı.
Ay bilim insanları onyıllardır su depoları ihtimalini tartışmışlardı. Şimdi giderek "onyıllardır süren tartışmanın bittiği konusunda emin" olduklarını bir rapor yazıyor. "Ay'da aslında her türlü yerde su vardır; sadece mineraller içinde değil, fakat parçalanmış yüzeye dağılmış durumda ve muhtemelen derinliklerde buz blokları veya levhaları halinde." Chandrayaan misyonundan alınan sonuçlar, ayrıca "sulu sinyallerle dolu geniş bir yelpaze sunuyor."
Rasat tarihi
20. yüzyıl
Apollo Programı
Kutupsal Ay kraterlerinin zeminlerinde buz olma ihtimali ilk defa Caltech araştırmacıları Kenneth Watson, Bruce C. Murray ve Harrison Brown tarafından 1961 yılında öne sürüldü. Eser miktarlarda su, Apolloastronotlarının topladığı Ay kayaçları örneklerinde bulunmasına rağmen bunun kirlenme sonucu olduğu ve Ay yüzeyin büyük bir kısmının genel olarak tamamen kuru olduğu farz edilmiştir. Fakat Ay kayaç örnekleriyle 2008'de yapılan bir çalışma, volkanik cam boncuklarında sıkışıp kalmış su moleküllerini delil olarak ortaya çıkardı.
Ay yakınında su buharının ilk doğrudan delili 7 Mart 1971'de Apollo 14 ALSEP Supratermal İyon Dedektörü Deneyi (İng. Suprathermal Ion Detector Experiment, SIDE) ile bulundu. Su buharı iyonlarının bir dizi patlamaları Ay yüzeyinde Apollo 14'ün iniş yerine yakın yerde kütle spektrometresi aleti tarafından gözlemlenmiştir.
Luna 24
Şubat ayında 1978 Sovyet bilim insanları Jeokimya Vernadsky ve Analitik Kimya Enstitüsü'nden M. Akhmanova, B. Dement'ev ve M. Markov, oldukça kesin şekilde bir su tespitini iddia eden bir bildiri yayınladı. Çalışmaları, 1976'daki Sovyet sondası Luna 24'ün yeryüzüne geri getirdiği numunelerinde kütle olarak %0,1 su ihtiva ettiğini, bunun da eşik değerinin yaklaşık 10 kat üzerinde olan bir tespit seviyesinde kızılötesi soğurma spektroskopisince (yaklaşık 3 μm dalga boyunda) görüldüğünü gösterdi.
Clementine misyonu
1994'te Ay'da su buzu olduğuna dair önerilen bir delil, ABD'nin askeri Clementine sondası tarafından geldi. 'Bistatic radar deneyi' olarak bilinen bir araştırmada Clementine, vericisini Ay'ın güney kutbunun karanlık bölgelerine radyo dalgaları ışımak için kullanılır. Bu dalgaların yankıları Dünya'da Deep Space Network 'un büyük çanak antenleri tarafından tespit edildi. Bu yankıların büyüklüğü polarizasyonu, kayalık bir yüzeyden ziyade buzlu bir yüzeyle uyuşmasına rağmen sonuçlar yetersiz olduğundan bunların önemi sorgulandı. Yer tabanlı radar ölçümler, kalıcı gölgede olan ve bu sebeple Ay buzu barındırabilen alanları tanımlamak için kullanıldı: kutba doğru 87.5 derece enlemdeki gölgeli alanların tamamının kuzey ve güney kutuplarına göre 1030 ve 2550 kilometrekare olduğu tahmin edildi. Ek arazi kapsayan ilave bilgisayar simülasyonları, 14.000 km2'ye kadar bir alanın kalıcı gölgede olabileceğini öne sürdü.
Lunar Prospector
1998 yılında uzaya fırlatılan Lunar Prospector sondası, kutup bölgelerine yakın yerlerde Ay regolitindeki hidrojen miktarını ölçmek için bir nötron spektrometresi kullanır. Hidrojen miktarını ve konumunu bir milyonda 50 parça dahilinde tespit edebilen bu alet, Ay'ın kuzey ve güney kutuplarında gelişmiş hidrojen konsantrasyonları tespit etmeyi başardı. Bunlar kalıcı olarak gölgeli kraterlerde önemli miktarda hapsedilmiş su buzuna işaret olarak değerlendirilmişse de aynı zamanda hidroksil kökü (OH) kimyasal olarak minerallere bağlı olmasından dolayı da olabilir. Clementine ve Lunar Prospector'dan gelen verilere dayanarak NASA bilim insanları, yüzey su buzu varsa toplam miktarın 1 ila 3 kilometreküp mertebesinde olabileceğini tahmin ediyor. 1999 yılının Temmuz ayında misyonun sonunda Lunar Prospector sondası tespit edilebilir miktarda suyu serbest bırakmak ümidiyle kasten Ay'ın güney kutbuna yakın bulunan Shoemaker kraterine çarptı. Fakat yer tabanlı teleskoplarla yapılan spektroskopik gözlemler suyun spektral izine rastlamamıştır.
CassiniHuygens
Ay'da su varlığı hakkında daha fazla şüpheler, 1999 yılında Ay'ın yanından geçen CassiniHuygens misyonunun yetersiz verilerce üretildi.
21. yüzyıl
Deep Impact
14 Kasım 2008 tarihinde Deep Impact spacecraft produced inconclusive spectroscopic data suggestive of water on the Moon. In 2006, observations with the Arecibo planetary radar showed that some of the near-polar Clementine radar returns, previously claimed to be indicative of ice, might instead be associated with rocks ejected from young craters. If true, this would indicate that the neutron results from Lunar Prospector were primarily from hydrogen in forms other than ice, such as trapped hydrogen molecules or organics. Nevertheless, the interpretation of the Arecibo data do not exclude the possibility of water ice in permanently shadowed craters. In June 2009, NASA's Deep Impact spacecraft, now redesignated EPOXI, made further confirmatory bound hydrogen measurements during another lunar flyby.
Kaguya
As part of its lunar mapping programme, Japan's Kaguya probe, launched in September 2007 for a 19-month mission, carried out gamma ray spectrometry observations from orbit that can measure the abundances of various elements on the Moon's surface. Japonya'nın Kaguya sondanın yüksek çözünürlüklü görüntüleme sensörleri Ay'ın güney kutbu etrafında sürekli gölgeli kraterlerde su buzuna ait herhangi bir işarete rastlamadı ve ejekta patlaması içeriğini incelemek amacıyla Ay yüzeyine çarparak misyonuna son verdi.
Chang'e 1
2007 yılının Ekim ayında uzaya fırlatılan Çin'in Chang'e 1 2007 yılının Ekim ayında uzaya fırlatılan Çin Halk Cumhuriyeti'nin Chang'e 1 uydusu, muhtemelen buzlu su bulunan bazı kutup bölgelerinin ilk ayrıntılı fotoğraflarını çekti.
Chandrayaan-1
14 Kasım 2008 tarihinde Hint uzay aracı Chandrayaan-1'in su buzunun varlığını analiz etmek için serbest bıraktığı ve aynı gün saat 20:31'de Ay'ın güney kutbundaki Shackleton Krateri'ne çarpan Ay darbe sondası Moon Impact Probe (MIP), yüzey altından etrafa fırlayan artıkları su buzunun varlığını tespit etmek üzere analiz etti.
25 Eylül 2009 günü NASA, Chandrayaan-1 uzay gemisindeki Moon Mineralogy Mapper (M3) aletinden gönderilen verilerin Ay yüzeyinin geniş alanları üzerinde hidrojen varlığını düşük konsantrasyonlarda ve hidroksil grubu ( OH) şeklinde de olsa kimyasal olarak toprağa bağlı şekilde olduğunu doğruladığını açıkladı. Bu, Deep Impact ve Cassini sondalarında bulunan spektrometrelerden daha önce gelen delilleri destekler..
Mart 2010'da Chandrayaan-1'de bulunan Mini-SAR'ın Ay'ın kuzey kutbuna yakın yerde 40'tan fazla devamlı karanlık kalan krater tespit ettiği haber edildi. Bu karanlık kraterlerin muhtemelen 600 milyon ton su buzu ihtiva ettiği tahmin edilmektedir. Radarın yüksek CPR'ı ne pürüzlerin, ne de buzun şüphesiz teşhisine uygun değildir; bilim ekibi, yüksek CPR sinyalinin geçtiği çevreyi, sebebini yorumlayabilmek için dikkate almak zorundadır. Buz, nispeten saf ve bu sinyali vermek için en azından birkaç metre kalın olmalıdır. Potansiyel olarak mevcut su buzu tahmini tutarı, Lunar Prospector'un bir önceki misyonda elde edilen nötron verilerine göre tahmin edilen miktarla karşılaştırılabilir.
Sonuçlar, Chandrayaan-1'de bulunan diğer NASA aletlerinin son bulgularıyla tutarlıdır olmasına rağmen (su buharı, NASA'nın Lunar Crater Observation and Sensing Satellite veya LCROSS tarafından tespit edilirken Ay Mineraloji Mapper (MP3), Ay'ın kutup bölgelerinde su molekülleri keşfetti) bu gözlem, Ay yüzeyinin birkaç metre altında neredeyse saf su buzundan meydana gelen kalın yataklarının varlığı ile uyuşmasa da küçük (<~ 10 cm), regolitle karışık ayrık buz parçalarının varlığını inkar etmez.
Lunar Reconnaissance Orbiter
Ay'da buz arama, 18 Haziran 2009'da uzaya fırlatılan NASA'nın Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) / LCROSS misyonuyla devam etti. LRO'da bulunan aletler, suyun varlığına daha fazla delil olabilecek çeşitli gözlemler gerçekleştirdi. 9 Ekim 2009 tarihinde, Atlas V taşıyıcı roketinin Centaur üst kademesi, 11:31 UTC'de Cabeus kraterine çarpmaya yönlendirildi, kısa bir süre sonra LCROSS uzay aracı oluşan enkaz bulutunun içinden uçarak su buharının varlığını algılama girişiminde bulundu. Hemen fevkalade bir bulut görülmemesine rağmen, spektrometre verilerini analiz etmek için zaman gerekiyordu. 13 Kasım 2009 günü NASA, çarpma bulutundan elde edilen verilerin analizinden sonra suyun spektral varlığının teyit edildiğini bildirdi. Ancak aslında tespit edilen, sudan olduğu zannedilen hidroksil grubuydu ( OH), fakat bulunan aynı zamanda kimyasal olarak bağlı su molekülleri içeren inorganik tuzların hidratları da olabilirdi. Bu malzemenin tabiatı, konsantrasyon ve dağılımı daha fazla analiz gerektirmektedir; baş misyon bilim adamı Anthony Colaprete, ejektanın muhtelif ince taneli partikül halinde, neredeyse saf kristal yapıda su buzu ihtiva eder gibi göründüğünü belirtti. Sonraki kesin analiz, suyun konsantrasyonunun "kütlece %5,6 ± 2,9" olduğunu tespit etti. LRO'nun Mini-RF aleti LCROSS'un iniş yerini gözledi ve büyük levhalar halinde su buzunun varlığına dair herhangi bir delil tespit etmedi, dolayısıyla su büyük ihtimalle Ay regoliti ile karışık küçük buz parçaları halinde bulunmaktadır.
LRO'nun lazer altimetresinin Ay'ın güney kutbundaki Shackleton kraterinde yaptığı muayene, o krater yüzeyinin % 22 kadar buzla kaplı olduğunu göstermektedir.
Apollo 17 numunlerinde erimiş kapanımlar
2011 Mayıs ayında, Erik Hauri ve ark., 1972 yılında Apollo 17 misyonu sırasında toplanan volkanik kökenli ünlü yüksek titanyumlu "turuncu cam toprak" olan 74220 Ay numunesinde eriyik kapanımı içinde 615-1410 ppm su olduğunu bildirdi. Bu kapanımlar, yaklaşık 3.7 milyar yıl önce Ay'da patlayıcı püskürmeler sırasında oluşmuştur.
Bu konsantrasyon, Dünya'nın üst mantosunda bulunan magma ile kıyaslanabilir. Bu duyuru, Ay biliminin bayağı ilgisini çekerken Ay sömürgecisi olmak isteyenleri pek az rahatlatır. Numune, yüzeyin kilometrelerce altında meydana gelmiş ve inklüzyonlara erişmek o kadar zor ki, bunları en son gelişmeleri yansıtan bir iyon mikro sondasıyla algılamak 39 yıl sürdü.
Muhtemel su döngüsü
Üretimi
Ay'daki suyun iki potansiyel kökeni vardır: Ay'a çarpan su taşıyıcı kuyruklu yıldızlar (ve diğer cisimler) ve yerinde üretim. Sonuncusunun Güneş rüzgarıdaki hidrojen iyonlarının (protonlar) kimyasal olarak Ay minerallerinde (oksitler, silikatlar vs.) bulunan oksijen atomları ile birleşerek kristal kafesin içinde sıkışmış su veya suyun muhtemel ön-maddeleri (İng. precursors) olan hidroksil grupları olarak az miktarda ürettiği teorileştirilmiştir. (Bu minerale bağlı su ya da hidroksile olmuş maden yüzeyi, su buzuile karıştırılmamalıdır.)
Oksit yüzeylerinde (S=O) ulaşılabilir oksijen atomlarının proton (H+) reaksiyonu ile oluşan hidroksil yüzey grubundan (SOH) ayrıca oksit minerallerinin yüzeyinde adsorbe edilmiş su moleküllerine (H2O) de dönüştürülebilir. Oksit yüzeyde farz edilen bir kimyasal düzenlenmenin kütle dengesi, aşağıdaki gibi şematik olarak yazılabilir:
2 S-OH > S=O + S + H2O
veya
2 S-OH > SOS + H2O
Burada S, oksit yüzeyi temsil etmektedir.
Bir su molekülünün oluşumu için iki bitişik hidroksil grubunun varlığına ya da iki proton ve bir oksijen atomunun birbirini takip eden reaksiyonlar zincirini gerektirir. Yüzey birimi başına proton yoğunluğu çok düşükse bu sınırlayıcı faktör, su üretimi ihtimalini azaltabilir.
Tuzaklama
Güneş radyasyonu normalde serbest halde olan su veya su buzunu bileşen elementleri olan hidrojen ve oksijene ayırarak Ay yüzeyinden siler, onlar da uzaya fırlar. herhangi şerit olacaktır. Ancak Ay'ın dönüş ekseninin ekliptik düzlemle sadece çok hafif olan eksenel eğiminden (1.5 ) dolayı, kutuplara yakın bazı derin kraterler hiç Güneş ışığı almayarak kalıcı olarak gölgelde kalırlar (mesela Shackleton ve Whipple kraterine bakınız). Bu bölgelerde sıcaklık asla yaklaşık 100 K (takriben -170 Celsius) üzerine çıkmaz ve bu kraterler düşen bütün su, çok uzun süreler boyunca donmuş ve istikrarlı şekilde kalabilir Ay ekseni yönelimindeki istikrara bağlı olarak belki de milyarlarca yıl.
Nakletme
Serbest su, Ay'ın aydınlanmış bölgelerinde mevcudiyetini sürdürememesine rağmen Ay minerallerinde Güneş rüzgarının etkisi ile üretilen her su, buharlaşma ve yoğunlaşma süreci ile kalıcı soğuk kutup bölgelerine göç edebilir ve belki de buz, orada kuyruklu yıldız çarpmalarının getirdiği başka buza ilaveten birikir.
Su taşıma / hipotetik yakalama mekanizmasının (varsa) nasıl olduğu bilinmemektedir: gerçekten doğrudan Güneş rüzgarına maruz kalan, su üretiminin olduğu Ay yüzeyleri, doğrudan su üretimineizin veremeyecek kadar sıcakken (ve Güneş ışıması da devamlı suyu ayrıştırır) Güneş'e maruz kalmayan soğuk bölgelerde su üretimi olmaz (veya çok daha az olur). Işıklı bölgelerde su moleküllerinin beklenen kısa ömrü göz önüne alındığında, kısa bir taşıma mesafesi prensipte yakalama olasılığını arttıracaktır. Başka bir deyişle soğuk, karanlık bir kutup kraterine yakın yerlerde üretilen su moleküllerin varlıklarını sürdürme ve yakalanma ihtimalleri en yüksektir.
Ne ölçüde ve hangi mekansal ölçekte doğrudan proton değişiminin (protoliz) ve oksihidroksit minerallerinin boşluk vakumuna (yüzey difüzyonu ve suyun kendiliğinden iyonlaşmasına bakınız) çıplak yüzeylerinde doğrudan meydana gelen yüzeysel proton difüzyonunun en soğuk noktaya doğru su transferi mekanizmasında da bir rol oynayıp oynamadığı bilinmemektedir ve bir varsayım olarak kalır.
Kullanımı
Ay'da bol miktarda su bulunması, Dünya'dan su (ya da hidrojen ve oksijen) taşınması fahiş şekilde pahalı olacağından kameri yerleşim maliyetini uygun hale getiren önemli bir faktör olacaktır. Gelecekteki araştırmalar, bu miktarın özellikle büyük olduğunu bulursa su buzu, içmek ve bitki yayılması için sıvı su sağlanabilir; ayrıca Güneş paneli donanımlı elektrik santralleri veya nükleer jeneratörler tarafından hidrojen ve oksijene ayrıştırarak nefes almak için oksijen ve bunun yanı sıra roket yakıtı bileşenleri sağlamak üzere yerden çıkarılabilir. Sudaki hidrojen bileşeni, Ay toprağından oksitleri çıkararak daha fazla oksijen elde etmek için de kullanılabilir.
Ay buzu analizi, ayrıca Ay'a çarpma tarihi ve erken İç Güneş Sistemi'nde kuyruklu yıldız ve asteroit bolluğu hakkında bilimsel bilgi sağlayacaktır.
Mülkiyet
Ay'da kullanılabilir miktarlarda varsayımsal su keşfi, suyunu sahibi ve kimin kullanma hakkına sahip olduğu konusunda yasal soruları gündeme getirebilir. Birleşmiş Milletler Uzay Antlaşması kameri kaynakların sömürülmesini önlemez, ama bireysel ulusların Ay'a sahip çıkmasını önler etmez ve genellikle ülkeleri oradaki kaynakların sahipliğini iddia etmeye engelleme olarak yorumlanır. Ancak çoğu hukukçu mütehassızlar, sorunun nihai testinin ulusal veya özel aktiviteyi emsal olarak göstererek ortaya çıkacağına katılır. Böyle Shackleton Enerji Şirketi gibi bazı özel şirketler, halihazırda Ay'dan veya asteroitlerden kendi çaba, risk ve yatırımlarıyla her ne kadar kaynak çıkarırlarsa çıkarsınlar veya yarar elde ederlerse etsinler, buna sahip olma hakkını talep ediyorlar. Ay Antlaşması özellikle kameri kaynakların sömürülmesini "uluslararası bir rejim" tarafından idare edilmesi gerektiğini öngörmekteyse de bu antlaşma büyük uzay-faring milletler herhangi biri tarafından onaylanmamıştır.