Każdego roku od 1970 roku astronomowie, geolodzy, geofizyk i wielu innych specjalistów spotykają się, aby uczestniczyć w Konferencji Nauk Księżycowych i Planetarnych (LPCS). To coroczne wydarzenie, organizowane wspólnie przez Lunar and Planetary Institute (LPI) i NASA Johnson Space Center (JSC), jest okazją dla naukowców z całego świata do podzielenia się i przedstawienia najnowszych badań planetarnych dotyczących jedynego księżyca na Ziemi.
W tym roku jednym z największych przykuwających uwagę były odkrycia zaprezentowane we wtorek 17 marca przez zespół studentów z Purdue University. Wspólne badania, prowadzone przez studenta z Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosfery i Planetarnych, wskazują, że na Księżycu mogą znajdować się stabilne lampy lawowe, wystarczająco duże, aby pomieścić całe miasta.
Oprócz tego, że są one celem przyszłych badań geologicznych i geofizycznych, istnienie tych rur może być dobrodziejstwem dla przyszłych badań kosmicznych człowieka. Zasadniczo twierdzili, że takie duże, stabilne podziemne tunele mogłyby zapewnić dom dla ludzkich osad, chroniąc je przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym i ekstremalnymi temperaturami.
Rury lawowe są naturalnymi przewodami utworzonymi przez płynącą lawę, która porusza się pod powierzchnią w wyniku erupcji wulkanu. Gdy lawa się porusza, jej zewnętrzne krawędzie stygną, tworząc stwardniałą, przypominającą kanał skorupę, która pozostaje po zatrzymaniu przepływu lawy. Od pewnego czasu naukowcy księżycowi spekulują, czy na Księżycu zachodzą przepływy lawy, o czym świadczy obecność falistych wąsów na powierzchni.
Faliste wąwozy to wąskie zagłębienia na powierzchni Księżyca, które przypominają kanały i mają zakrzywione ścieżki wijące się w krajobrazie jak dolina rzeki. Obecnie uważa się, że te rilles są pozostałościami zapadniętych rur lawowych lub wymarłych strumieni lawy, co potwierdza fakt, że zwykle zaczynają się w miejscu wygasłego wulkanu.
Te, które zaobserwowano na Księżycu w przeszłości, mają rozmiary do 10 kilometrów szerokości i setki kilometrów długości. Przy takim rozmiarze istnienie stabilnej rury - tj. Takiej, która nie zapadła się, tworząc falistą rillę - byłaby wystarczająco duża, aby pomieścić duże miasto.
Na potrzeby swoich badań zespół Purdue zbadał, czy rury lawy tej samej skali mogą istnieć pod ziemią. Odkryli, że stabilność rury lawowej zależy od wielu zmiennych - w tym szerokości, grubości dachu i stanu naprężenia chłodzonej lawy. badacze modelowali także rury lawy ze ścianami utworzonymi przez lawę umieszczoną w jednej grubej warstwie i lawę umieszczoną w wielu cienkich warstwach.
David Blair, absolwent Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosfery i Planetary w Purdue, poprowadził badanie, w którym sprawdzono, czy puste rury lawy o szerokości większej niż 1 km mogą pozostać strukturalnie stabilne na Księżycu.
„Nasza praca jest dość wyjątkowa, ponieważ połączyliśmy talenty ludzi z różnych działów w Purdue”, Blair powiedziała Space Magazine e-mailem. „Dzięki wskazówkom prof. Bobeta (profesora inżynierii lądowej) byliśmy w stanie wprowadzić nowoczesne rozumienie mechaniki skały do naszych komputerowych modeli rur lawowych, aby zobaczyć, jak mogą się one zawodzić i pęknąć pod wpływem grawitacji księżycowej”.
Na potrzeby badań zespół skonstruował szereg modeli rur lawowych o różnych rozmiarach i różnych grubościach dachu, aby sprawdzić stabilność. Polegało to na sprawdzeniu każdego modelu, czy przewidział awarię w dowolnym miejscu na dachu lawy.
„To, co znaleźliśmy, było zaskakujące - kontynuowała Blair - w tym, że znacznie większe rury lawowe są teoretycznie możliwe niż wcześniej sądzono. Nawet z dachem o grubości zaledwie kilku metrów, lawowe rury o szerokości kilometra mogą być w stanie stać. Jednak powód jest nieco mniej zaskakujący. Ostatnia praca, jaką mogliśmy znaleźć na ten temat, pochodzi zApollo epoki i zastosował znacznie prostsze przybliżenie kształtu rury lawowej - płaskiej belki na dach.
Badanie, do którego się odnosi, „O pochodzeniu księżycowych zatok sinusoidalnych”, zostało opublikowane w czasopiśmie w 1969 r. Współczesna geologia. W nim profesorowie Greeley, Oberbeck i Quaide wysunęli argument, że tworzenie zatok rillesowych było związane z zawaleniem się rur lawowych i że stabilne mogą nadal istnieć. Obliczając dach z płaskich belek, ich praca wykazała maksymalny rozmiar rury lawy poniżej 400 m.
„Nasze modele wykorzystują geometrię bardziej podobną do tej, którą widzimy w lawowych rurach na Ziemi”, powiedział Blair, „rodzaj półeliptycznego kształtu ze sklepionym dachem. Fakt, że łukowaty dach pozwala na pozostanie większej rury lawowej ma sens: od starożytności ludzie wiedzieli, że łukowate dachy pozwalają tunelom lub mostom pozostać z szerszymi rozpiętościami. ”
Badanie Purdue opiera się również na wcześniejszych badaniach przeprowadzonych przez JAXA i NASA, w których obrazy „świetlików” na Księżycu - tj. Dziur w powierzchni Księżyca - potwierdziły obecność jaskiń o szerokości co najmniej kilkudziesięciu metrów. Dane z Księżycowego Laboratorium Odzyskiwania Grawitacji i Wnętrza NASA (GRAIL) - które wykazały duże różnice w grubości skorupy Księżyca, są nadal interpretowane, ale mogą również wskazywać na duże wgłębienia pod powierzchnią.
W rezultacie Blair jest przekonany, że ich praca otwiera nowe i wykonalne wyjaśnienia dla wielu różnych rodzajów obserwacji, które zostały poczynione wcześniej. Wcześniej było niezgłębione, że na Księżycu mogą istnieć duże, stabilne jaskinie. Ale dzięki studium teoretycznym jego zespołu wiadomo, że w odpowiednich warunkach jest to najmniej możliwe.
Kolejnym ekscytującym aspektem tej pracy są implikacje, jakie oferuje dla przyszłych badań, a nawet kolonizacji na Księżycu. Problem ochrony przed promieniowaniem jest już duży. Biorąc pod uwagę, że Księżyc nie ma atmosfery, koloniści i operacje rolnicze nie będą miały naturalnej osłony przed promieniami kosmicznymi.
„Geologicznie stabilne lampy lawowe byłyby absolutnym dobrodziejstwem dla eksploracji kosmosu przez ludzi” - powiedział Blair. „Taka jaskinia może być naprawdę idealnym miejscem do budowy bazy księżycowej i ogólnie do podtrzymywania trwałej ludzkiej obecności na Księżycu. Schodząc pod powierzchnią nawet kilka metrów, nagle łagodzisz wiele problemów z próbą zasiedlenia powierzchni Księżyca. ”
Zasadniczo, oprócz ochrony przed promieniowaniem, podstawa pod powierzchnią omijałaby problemy mikrometeorytów i ekstremalne zmiany temperatury, które są powszechne na powierzchni Księżyca. Co więcej, stabilne, podziemne rury lawowe mogą również ułatwić zadanie wywierania presji na bazę do zamieszkiwania przez ludzi.
„Ludzie wcześniej studiowali i rozmawiali o tych wszystkich sprawach” - dodaje Blair - „ale nasza praca pokazuje, że tego rodzaju możliwości mogą potencjalnie istnieć - teraz musimy je tylko znaleźć. Ludzie żyją w jaskiniach od samego początku, i to może mieć sens również na Księżycu! ”
Oprócz Melosha, Blaira i Bobeta członkami zespołu są Loic Chappaz i Rohan Sood, doktoranci w School of Aeronautics and Astronautics; Kathleen Howell, profesor Hsu Lo Purdue z inżynierii lotniczej i astronautycznej; Andy M. Freed, profesor nadzwyczajny nauk o ziemi, atmosferze i planetach; oraz Colleen Milbury, pracownik naukowy z tytułem doktora habilitowanego w Departamencie Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetarnym.
