nước trên mặt trăng

10

Chúng ta không biết hết tài nguyên của Mặt trăng, nhưng những gì biết được cũng đủ để cho rằng các trạm và thuộc địa Mặt trăng sẽ xuất hiện trên Mặt trăng trong tương lai. Một trong những khó khăn chính trong việc tổ chức quần thể là cung cấp nước và oxy cho con người. Một người cần khoảng 0,9 ke thức ăn khan, 0,9 ke oxy và 2,7 ke nước mỗi ngày. Không tìm thấy dấu vết của nước trong các bức ảnh chụp mặt trăng do tàu vũ trụ của Liên Xô và Mỹ cung cấp.

Tuy nhiên, có lý do để tin rằng có nước trên Mặt trăng.

Ngày nay, thuyết tiến hóa đã trở nên phổ biến, theo đó Mặt trăng, giống như Trái đất, được hình thành từ một đám mây gồm các hạt rắn nhỏ. Những hạt này trên Mặt trăng chứa cùng một lượng nước (cái gọi là nước non, tức là nước nguyên thủy) như chất của Trái đất chứa nó: “vật liệu xây dựng” của Trái đất và Mặt trăng gần như giống nhau. Sự phân rã của uranium phóng xạ và kali phóng xạ theo thời gian đã khiến các lớp sâu của Mặt trăng nóng lên tới nhiệt độ 1000-2000°C. Nước chứa trong chất của Mặt trăng bay hơi và xâm nhập ra ngoài dưới dạng hơi nước, lên bề mặt. Số phận của hơi nước này phụ thuộc vào các điều kiện trên bề mặt Mặt trăng và nhiệt độ của nó.

Nhiệt độ bề mặt của Mặt trăng đạt tới +120°C vào ban ngày và giảm xuống −160°C vào ban đêm (ở các vùng cực là −200°C). Các vật liệu tạo nên bề mặt Mặt trăng (các mảnh nhỏ của nhiều loại khoáng chất khác nhau - được gọi là “regolith”) không dẫn nhiệt tốt. Do đó, sự dao động nhiệt độ hàng ngày xuyên qua rất nông và ở độ sâu dưới một mét so với bề mặt, nhiệt độ không phụ thuộc vào thời gian trong ngày âm lịch. Ở những vĩ độ thấp, gần xích đạo, nhiệt độ xấp xỉ −30°C. Ở nhiệt độ thấp như vậy bên dưới bề mặt, hơi nước thoát ra từ độ sâu của Mặt trăng lẽ ra đã đóng băng, tạo thành một lớp băng.

Hãy ước tính ranh giới của lớp băng. Nhiệt độ tăng theo độ sâu. Trên Trái đất, nhiệt độ tăng 28°C trên mỗi km di chuyển vào bên trong. Giả sử rằng các quá trình phóng xạ sinh nhiệt trên Mặt trăng cũng giống như trên Trái đất. Sau đó, nhiệt độ trên Mặt trăng tăng 30°C đến điểm tan băng (0°C) ở độ sâu khoảng 1 km. Đây là ranh giới dưới của lớp băng vĩnh cửu trên mặt trăng (Hình 1), và bên dưới là lớp nước.

Ở ranh giới trên của lớp băng, các phân tử liên tục vỡ ra khỏi bề mặt và băng bay hơi. Đá trên Mặt trăng, chúng được hình thành như thế nào?

11

được cập nhật trong quá trình nghiên cứu các mẫu mặt trăng, chúng luôn chứa các lỗ chân lông. Các phân tử hơi nước chảy qua các lỗ này và nổi lên bề mặt Mặt trăng.

Chúng ta biết tuổi của đá trên Mặt trăng nhờ hàm lượng tương đối dồi dào của các đồng vị phóng xạ và các sản phẩm phân rã của chúng trong các mẫu mặt trăng. Độ tuổi này là khoảng 4,5 tỷ năm. Tính toán cho thấy rằng với $t = -30^\circ\text{C}$ và các tính chất vật lý cũng như cấu trúc của đá mặt trăng mà chúng ta đã biết, không phải tất cả lượng chì từ lớp vỏ mặt trăng đều bốc hơi trong 4,5 tỷ năm này.

Giả thuyết về lớp băng vĩnh cửu và lớp nước sâu trên Mặt Trăng được nhà vật lý thiên văn người Mỹ Gold hình dung vào năm 1961. Tuy nhiên, kết luận của ông về sự tồn tại của băng và nước sâu trong lớp vỏ mặt trăng dựa trên một số giả định.

Cơm. 1.

Thứ nhất, người ta cho rằng tổng lượng nước non trong 1 kg vật chất của Trái đất và Mặt trăng là như nhau, và tổng lượng nước non này được ước tính bằng độ sâu trung bình của các đại dương trên thế giới (các lớp nước thu được bằng cách chia thể tích nước của các đại dương, biển, băng ở Bắc Cực và Nam Cực, băng của các vùng núi trên bề mặt Trái đất). Trên Trái đất độ sâu này là ~ 1 km.

Thứ hai, người ta tin rằng một phần đáng kể nước non sẽ nổi lên bề mặt sau khi lớp vỏ mặt trăng nguội đi và do đó đóng băng trong led, bay hơi chậm - qua các lỗ chân lông.

Nếu hơi nước non có thể nổi lên trên bề mặt lớp vỏ mặt trăng, để tính toán một cách đáng tin cậy quá trình bay hơi của băng từ nó.

Ngoài ra còn có các băng dưới bề mặt trên Trái đất. Ở những khu vực có nhiệt độ áp suất trung bình dưới 0°C, một lớp đất đóng băng vĩnh cửu vẫn còn dưới bề mặt Trái đất và chỉ tan băng một phần vào mùa hè. Các khu vực đóng băng vĩnh cửu chiếm 15% diện tích đất liền trên Trái đất (và 10% diện tích đất liền khác bị chiếm giữ bởi các sông băng). Ở nước ta, lớp băng vĩnh cửu bao phủ các khu vực chung của Siberia và Viễn Đông.

Những sự biến đổi dẫn đến—nước—hơi nước trên Mặt trăng và trên Trái đất *)

Bây giờ chúng ta hãy bay từ độ sâu lên bề mặt của Mặt trăng. Nước, đèn LED và hơi nước sẽ hoạt động như thế nào trong ngày ($t = +120^\circ\text{C}$)

*) Lời khuyên này của độc giả đã phổ biến cuốn sách, Viện sĩ L. D. Landu và Giáo sư A.I. Kitaygorodsky “Vật lý cho mọi người”, M., “Nayka”, 1963. Chương 12 của cuốn sách này sẽ đóng vai trò là hướng dẫn về tất cả các vấn đề vật lý được đặt ra ở nước ta.

12

Cơm. 2.

và đêm ($t = -160^\circ\text{C}$) trên bề mặt mà không có lớp vỏ mặt trăng được bảo vệ? Đáp số những câu hỏi này được trả lời bằng cái gọi là sơ đồ trạng thái của nước (Hình 2), mà bây giờ chúng ta sẽ thảo luận.

Chúng ta sẽ vẽ biểu đồ áp suất mà băng, nước hoặc hơi nước nằm dọc theo trục thẳng đứng và nhiệt độ của chúng dọc theo trục hoành. Mỗi điểm trên mặt phẳng giới hạn bởi trục tọa độ $P$ và $t^\circ$ tương ứng với một trạng thái nhất định của nước (nước đá, nước hoặc hơi nước).

Hãy bắt đầu với nước đá. Đường cong màu xanh biểu thị sự phụ thuộc của áp suất làm băng tan vào nhiệt độ. Áp suất càng cao thì điểm nóng chảy càng thấp. Chúng ta hãy di chuyển ra khỏi đường cong màu xanh lam sang bên phải một chút: ở cùng áp suất, chúng ta sẽ tăng nhiệt độ. Băng sẽ tan hoàn toàn - các điểm của mặt phẳng bên phải đường cong màu xanh tương ứng với nước. Nếu bạn di chuyển sang trái từ đường cong màu xanh và giảm nhiệt độ, nước sẽ đóng băng và biến thành băng. Tại các điểm màu xanh lam của đường cong (và chỉ ở những áp suất và nhiệt độ này) băng và nước ở trạng thái cân bằng với nhau - bao nhiêu băng tan, bao nhiêu nước biến thành băng. Vì vậy, đường cong màu xanh được gọi là đường cong cân bằng của băng và nước.

Nếu chúng ta tăng nhiệt độ của nước ở một áp suất không đổi, chúng ta sẽ thấy mình ở một vùng nhiệt độ mà ở đó chỉ có hơi nước có thể tồn tại. Vùng nhiệt độ và áp suất này nằm ở bên phải đường cong màu đỏ - đường cong cân bằng của nước và hơi nước, hay nói cách khác là đường cong biểu thị sự phụ thuộc của điểm sôi của nước vào áp suất. Đường cong này, như có thể thấy trong hình, cho thấy rằng áp suất của nước càng thấp thì điểm sôi của nó càng thấp. Chúng tôi biết rõ điều này - ví dụ, ở vùng núi cao, nơi áp suất không khí thấp, người leo núi khó luộc trứng trong nước sôi nên chúng tôi phải chiên trứng. Trên đỉnh Elbrus, nơi có áp suất bằng khí quyển, nước sôi ở $82^\circ\text{C}$.

Hãy giảm áp suất xuống 0,006 giờ sáng. Kinh nghiệm cho thấy điểm sôi giảm xuống 0 (chính xác hơn là đến $0,0075^\circ\text{C}$) - “nước sôi” có nhiệt độ đóng băng của nước. Điều gì sẽ xảy ra nếu áp suất giảm thêm? Nhiệt độ sôi giảm xuống dưới 0, “nước sôi”

14

bằng hoặc lớn hơn khí quyển nếu băng được bao phủ bởi một lớp nước (Hình 3).

Đối với đường cong cân bằng nước-hơi nước, mọi thứ đều mang tính chất hoàn cảnh. Tất cả các điểm ở bên phải của đường cong màu đỏ tương ứng với trạng thái ổn định - hơi nước, bên trái - trạng thái ổn định - nước. Nếu áp suất hơi nước nhỏ hơn áp suất trên đường cong màu đỏ thì nước ở nhiệt độ nhất định sẽ bay hơi hoàn toàn (hơi nước phía trên là chưa bão hòa). Khi tiếp xúc với khí quyển, áp suất hơi của nước thường là 0,013 am, nghĩa là bằng 60% áp suất hơi bão hòa. Vì vậy, nước hấp thụ trong món ăn sẽ luôn bay hơi theo thời gian. Khi không khí nguội đi, áp suất lúc 0,013 am trở nên lớn hơn áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ mới và hơi nước ngưng tụ (ví dụ sương sớm).

Nhưng sự bay hơi từ bề mặt chất lỏng là một quá trình rất chậm. Có một quá trình khác chuyển chất lỏng thành hơi, nhanh hơn nhiều - bay hơi trong quá trình sôi. Trong trường hợp này, bọt hơi hình thành trong toàn bộ thể tích chất lỏng. Áp suất bên ngoài (áp suất tổng cộng 1 giờ sáng) được truyền từ bề mặt chất lỏng đến tất cả các điểm trong độ sâu của nó, do đó áp suất bên trong thu được bằng (hoặc lớn hơn) áp suất tổng cộng lên chất lỏng, bất kể nguyên nhân của áp suất bên ngoài này là hơi nước hay áp suất không khí trong khí quyển.

Trên Mặt Trăng, nước luôn sôi trên bề mặt thoáng nhưng đóng băng bên dưới. Nhưng tùy thuộc vào thời gian trong ngày (nghĩa là do Mặt trời sưởi ấm), có thể có rất nhiều tác động khác nhau.

Hơi nước có đóng băng hay không không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào áp suất. Trên Mặt trăng, ở áp suất thấp, hơi nước có thể thoát ra trên bề mặt và không đóng băng. Trong Hình 2, chúng ta thấy rằng trong điều kiện Mặt Trăng, hơi nước có thể tồn tại ở nhiệt độ gần -200°C. Tất cả phụ thuộc vào các điều kiện (sự phụ thuộc của áp suất vào độ sâu, nhiệt độ, độ xốp của chất trên Mặt trăng), mà trong suốt 4,5 tỷ năm lịch sử của Mặt trăng có thể rất khác nhau.

Do đó, cả hai điểm chính của lý thuyết về băng dưới bề mặt - sự giải phóng một lượng hơi nước vừa đủ từ độ sâu của Mặt trăng và sự đóng băng của nó trên bề mặt - đều dựa trên những giả định nhất định và cần được kiểm tra bằng thực nghiệm. Chúng tôi đang nỗ lực phát triển các phương pháp thử nghiệm để tìm kiếm băng và sử dụng chúng để kiểm tra Mặt trăng trên toàn bộ bề mặt cũng như độ sâu của nó.

Phạm vi nhiệt độ trên bề mặt mặt trăng rất rộng (từ -160 đến +120°C). Có thể gợi ý rằng các tính chất của băng trong phạm vi nhiệt độ rộng như vậy cũng không phải là hằng số. Việc tìm kiếm băng trên Mặt trăng (vẫn còn mang tính lý thuyết) đã thúc đẩy nghiên cứu mới về tính chất của băng trong các phòng thí nghiệm trên Trái đất.

Năm 1969, quá trình đóng băng nước được nghiên cứu trong điều kiện bóng mặt trăng, tức là ở áp suất nhỏ hơn 10 phần triệu khí quyển và nhiệt độ (-170°C) - (-180°C). Đồng thời, một dạng băng chưa được biết đến cho đến nay đã được phát hiện - băng vô định hình. Nó đặc gấp đôi nước: khi nước đóng băng ở nhiệt độ cao, nó không nở ra (hãy nhớ rằng băng nói chung nổi trên mặt nước) mà xẹp xuống.

Thiết kế thử nghiệm rất đơn giản. Nước cất được đưa vào buồng chân không và đông lạnh thành một lớp băng mỏng trên hình nón kim loại. Thể tích của nước đá được xác định bằng cách so sánh ảnh chụp hình nón trước và sau khi đóng băng, khối lượng được xác định bằng cách cân. Từ đây đến mật độ. Nước đá đông lạnh trên hình nón ở nhiệt độ dưới -175°C có mật độ 2,3 e/cm³ và dính trên kính. Sử dụng hai phương pháp cơ học để đo nhiệt độ của nước, trên cùng một thang đo, nhiệt độ của nước được đo bằng nhiệt kế.