Вода в незначительных концентрациях присутствует на многих участках лунной поверхности. Главным её источником считается солнечный ветер, приносящий на Луну ионы водорода. Новое исследование показывает, что дополнительным механизмом образования воды на Луне может быть взаимодействие с магнитным полем Земли и перенос ионов водорода и кислорода из земной атмосферы. Такой механизм особенно актуален во время полнолуния, когда Луна экранирована земной магнитосферой от солнечного ветра, но зато находится под воздействием земного «магнитного ветра».
Планетологи уже не сомневаются в существовании воды на поверхности Луны или на небольшой глубине под слоем лунного реголита, хоть и в концентрациях, в несколько сот раз меньших по сравнению с самыми сухими земными пустынями. Вода может находиться как в связанном состоянии в минералах лунных пород, так и в виде льда. Долгое время самым благоприятным местом для залежей водяного льда считались лунные околополярные области, и особенно — внутренние участки кратеров, в которые не проникает свет Солнца (про это есть отдельная статья). Согласно последним данным, вода может сохраняться при определённых условиях даже на освещённых Солнцем участках поверхности в лунных умеренных широтах (про такое недавнее исследование также см. более подробную статью). Происхождение воды на Луне до сих пор неясно, но рассматриваются несколько групп гипотез. Эти гипотезы в качестве источников воды предполагают: недра самой Луны (например, дегазация магмы, по аналогии с похожими процессами на Земле); кометы и астероиды, падающие на её поверхность; и наконец, солнечный ветер. В этом последнем сценарии предполагается, что с частицами солнечного ветра на Луну попадает водород (в виде протонов), и в результате при реакции с кислородом в лунных породах образуются гидроксильные группы (OH), при стечении определённых условий они могут или связываться в минералах, или образовывать уже молекулы воды H2O, а далее каким-то образом мигрировать по лунной поверхности и вглубь её, смешиваясь с реголитом и тем самым избегая испарения.
Новое исследование указывает на ещё один возможный источник воды на Луне — магнитное поле Земли и «земной ветер» (потоки заряженных частиц под воздействием земной магнитосферы). Статья по результатам анализа архивных данных лунной орбитальной станции «Чандраян-1» в конце января 2021 года появилась в The Astronomical Journal Letters. Этот возможный механизм раньше привлекал меньше внимания по сравнению с гипотезой о солнечном ветре — источнике протонов. Вероятно, фактор Солнца в существовании воды на Луне является доминирующим, но внимательное рассмотрение данных спектрометрии обнаруживает нестыковки в «солнечной» гипотезе. Солнце не только поставляет ингредиенты воды на Луну, но и испаряет воду, обеспечивая динамический баланс притока и оттока вещества. Но этот баланс должен заведомо нарушаться в течение 3—5 дней каждого лунного цикла, как раз когда на Земле мы наблюдаем полнолуние. В это время Луна находится «в тени» земной магнитосферы и защищена от воздействия солнечного ветра. Численное моделирование предсказывает, что при этом из приполярных районов должно испаряться до половины запасов образовавшейся приповерхностной воды, и в эти дни её компенсировать нечем.
Анализ данных ещё 2009 года с индийского спутника «Чандраян-1» (инструмент для исследования минерального состава лунных пород под названием M3 — Moon Mineralogy Mapper) с детальной разбивкой по времени показывает, что во время таких «затмений» количество воды в полярных районах почти не уменьшается, то есть экранирование Землёй не мешает поддержанию баланса воды. Инструмент M3 измерял спектральный состав отражённого от поверхности излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. С его помощью были составлены первые минералогические карты лунной поверхности, а также впервые (в 2009 году) удалось надёжно установить наличие воды в лунных полярных областях. В данном случае астрофизики проанализировали записи M3 из приполярных областей и на инфракрасном участке спектра возле длины волны 2,8 мкм, которая соответствует полосе поглощения и гидроксильной группы OH, и молекулы воды H2O.
Сравнение временных рядов данных по поверхностной концентрации воды на Луне до, во время и после транзита сквозь магнитосферу Земли позволило сделать вывод о том, что баланс воды может восстанавливаться за счёт потока вещества под действием магнитного поля Земли, то есть «земного ветра». Земной ветер существенно отличается от солнечного. Солнечный ветер — это в основном поток плазмы из протонов и электронов, которые выбрасываются из верхних слоёв атмосферы Солнца. У земного ветра другая природа: это поток ионов из земной магнитосферы, включая ионы кислорода, то есть от солнечного он отличается и по составу, и по энергетическому спектру.
Ранее, по данным японского спутника Кагуя, было установлено, что «земные» ионы действительно присутствуют вблизи поверхности Луны. Наблюдения за Луной во время полнолуний показали высокую концентрацию в минералах лунного грунта изотопов кислорода из озонового слоя Земли, а также ионов водорода, имеющих происхождение из земной экзосферы (внешние слои атмосферы Земли на высоте от 500 км). Это позволяет усомниться в гипотезе солнечного ветра как основного источника воды на Луне, который периодически перекрывается магнитным полем Земли. Вместо этого можно предположить наличие такого «водного моста» между Землёй и Луной, который как раз создаётся земной магнитосферой во время фаз полнолуния. Этот мост может быть каналом доставки на Луну дополнительных запасов воды, и подобный механизм миграции воды может действовать между другими планетами и их спутниками.
