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    Une étude de la NASA souligne l'importance des ombres de surface dans le puzzle de l'eau de la lune

    La Lune est couverte de cratères et de rochers, créer une « rugosité » de surface qui projette des ombres, comme on le voit sur cette photo de la mission Apollo 17 de 1972. Ces ombres froides peuvent permettre à la glace d'eau de s'accumuler sous forme de givre même pendant la journée. La zone de détail est mise en évidence dans l'illustration suivante. Crédit :NASA

    Les ombres projetées par la rugosité de la surface de la Lune créent de petits points froids où la glace d'eau s'accumule même pendant la dure journée lunaire.

    Les scientifiques sont convaincus que de la glace d'eau peut être trouvée aux pôles de la Lune à l'intérieur de cratères ombragés en permanence - en d'autres termes, cratères qui ne reçoivent jamais la lumière du soleil. Mais les observations montrent que de la glace d'eau est également présente sur une grande partie de la surface lunaire, même pendant la journée. C'est une énigme :les modèles informatiques précédents suggéraient que toute glace d'eau qui se forme pendant la nuit lunaire devrait rapidement brûler lorsque le Soleil monte au-dessus de nous.

    « Il y a plus d'une décennie, l'engin spatial a détecté la présence possible d'eau sur la surface diurne de la Lune, et cela a été confirmé par l'Observatoire stratosphérique de la NASA pour l'astronomie infrarouge [SOFIA] en 2020, " a déclaré Björn Davidson, un scientifique du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. "Ces observations étaient, en premier, contre-intuitif :l'eau ne devrait pas survivre dans cet environnement hostile. Cela remet en question notre compréhension de la surface lunaire et soulève des questions intrigantes sur la façon dont les éléments volatils, comme de la glace d'eau, peut survivre sur des corps sans air."

    Dans une nouvelle étude, Davidsson et co-auteur Sona Hosseini, chercheur et instrumentiste au JPL, suggèrent que les ombres créées par la "rugosité" de la surface lunaire servent de refuge à la glace d'eau, lui permettant de se former sous forme de givre de surface loin des pôles de la Lune. Ils expliquent également comment l'exosphère de la Lune (les gaz ténus qui agissent comme une atmosphère mince) peut avoir un rôle important à jouer dans ce puzzle.

    Pièges à eau et poches de givre

    De nombreux modèles informatiques simplifient la surface lunaire, le rendant plat et sans relief. Par conséquent, on suppose souvent que la surface éloignée des pôles se réchauffe uniformément pendant la journée lunaire, ce qui empêcherait la glace d'eau de rester longtemps sur la surface ensoleillée.

    Alors, comment se fait-il que l'eau soit détectée sur la Lune au-delà des régions ombragées en permanence ? Une explication de la détection est que les molécules d'eau peuvent être piégées à l'intérieur de la roche ou du verre d'impact créé par la chaleur et la pression incroyables des impacts de météorites. Fusionné au sein de ces matériaux, comme le suggère cette hypothèse, l'eau peut rester à la surface même chauffée par le soleil tout en créant le signal qui a été détecté par SOFIA.

    Cette illustration zoome sur la zone de détail indiquée sur la photo précédente, montrant comment les ombres permettent à la glace d'eau de survivre sur la surface lunaire éclairée par le soleil. Lorsque les ombres se déplacent alors que le soleil passe au-dessus de votre tête, le givre exposé persiste assez longtemps pour être détecté par un vaisseau spatial. Crédit :NASA/JPL-Caltech

    Mais un problème avec cette idée est que les observations de la surface lunaire montrent que la quantité d'eau diminue avant midi (lorsque la lumière du soleil est à son apogée) et augmente l'après-midi. Cela indique que l'eau peut se déplacer d'un endroit à un autre au cours du jour lunaire, ce qui serait impossible s'ils étaient piégés à l'intérieur de la roche lunaire ou du verre à impact.

    Davidsson et Hosseini ont révisé le modèle informatique pour prendre en compte la rugosité de surface apparente dans les images des missions Apollo de 1969 à 1972, qui montrent une surface lunaire parsemée de rochers et grêlée de cratères, créant beaucoup de zones ombragées même vers midi. En prenant en compte cette rugosité de surface dans leurs modèles informatiques, Davidsson et Hosseini expliquent comment il est possible que du givre se forme dans les petites ombres et pourquoi la répartition de l'eau change tout au long de la journée.

    Parce qu'il n'y a pas d'atmosphère épaisse pour répartir la chaleur autour de la surface, extrêmement froid, zones ombragées, où les températures peuvent chuter à environ moins 350 degrés Fahrenheit (moins 210 degrés Celsius), peut avoisiner des zones chaudes exposées au soleil, où les températures peuvent atteindre 240 Fahrenheit (120 Celsius).

    Alors que le Soleil traverse le jour lunaire, le givre de surface qui peut s'accumuler dans ces froids, les zones ombragées sont lentement exposées à la lumière du soleil et cyclées dans l'exosphère de la Lune. Les molécules d'eau regelent alors à la surface, se réaccumulant sous forme de givre dans d'autres froids, emplacements ombragés.

    "Le givre est bien plus mobile que l'eau piégée, " dit Davidson. " Par conséquent, ce modèle fournit un nouveau mécanisme qui explique comment l'eau se déplace entre la surface lunaire et la mince atmosphère lunaire."

    Regarder de plus près

    Bien que ce ne soit pas la première étude à prendre en compte la rugosité de surface lors du calcul des températures de surface lunaire, les travaux antérieurs ne tenaient pas compte de la façon dont les ombres affecteraient la capacité des molécules d'eau à rester à la surface pendant la journée sous forme de gel. Cette nouvelle étude est importante car elle nous aide à mieux comprendre comment l'eau lunaire est libérée dans, et retiré de, l'exosphère de la Lune.

    Une hypothèse est que les molécules d'eau sont piégées dans la matière lunaire (à gauche). Mais une nouvelle étude postule que les molécules d'eau (à droite) restent sous forme de givre à la surface dans les ombres froides et se déplacent vers d'autres endroits froids via la fine exosphère. Crédit :NASA/JPL-Caltech

    "La compréhension de l'eau en tant que ressource est essentielle pour la NASA et les efforts commerciaux pour l'exploration lunaire humaine future, " dit Hosseini. " Si l'eau est disponible sous forme de givre dans les régions ensoleillées de la Lune, les futurs explorateurs pourraient l'utiliser comme ressource pour le carburant et l'eau potable. Mais d'abord, nous devons comprendre comment l'exosphère et la surface interagissent et quel rôle cela joue dans le cycle."

    Pour tester cette théorie, Hosseini dirige une équipe pour développer des capteurs ultra-miniatures pour mesurer les signaux faibles de la glace d'eau. Le spectromètre miniaturisé lunaire Heterodyne OH (HOLMS) est en cours de développement pour être utilisé sur de petits atterrisseurs stationnaires ou des rovers autonomes - comme le robot explorateur pliant à plat autonome de JPL (A-PUFFER), par exemple – qui pourrait être envoyé sur la Lune à l'avenir pour effectuer des mesures directes d'hydroxyle (une molécule qui contient un atome d'hydrogène et un atome d'oxygène).

    hydroxyle, qui est un cousin moléculaire de l'eau (une molécule avec deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène), peut servir d'indicateur de la quantité d'eau pouvant être présente dans l'exosphère. L'eau et l'hydroxyle pourraient être créés par les impacts de météorites et par les particules de vent solaire frappant la surface lunaire, mesurer la présence de ces molécules dans l'exosphère de la Lune peut donc révéler la quantité d'eau créée tout en montrant comment elle se déplace d'un endroit à l'autre. Mais le temps presse pour faire ces mesures.

    "L'exploration lunaire actuelle par plusieurs nations et sociétés privées indique des changements artificiels importants dans l'environnement lunaire dans un avenir proche, " a déclaré Hosseini. " Si cette tendance se poursuit, nous perdrons l'opportunité de comprendre l'environnement lunaire naturel, en particulier l'eau qui circule dans l'exosphère vierge de la Lune. Par conséquent, le développement avancé de l'ultra-compact, instruments à haute sensibilité est d'une importance critique et urgente."

    Les chercheurs soulignent que cette nouvelle étude pourrait nous aider à mieux comprendre le rôle que jouent les ombres dans l'accumulation de glace d'eau et de molécules de gaz au-delà de la Lune, comme sur Mars ou même sur les particules des anneaux de Saturne.

    L'étude, intitulé "Implications de la rugosité de surface dans les modèles de désorption d'eau sur la Lune", a été publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society le 2 août, 2021.


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