Области вечной тьмы

Области вечной тьмы — это условные географические и астрономические зоны на поверхности небесных тел, в которых солнечный свет отсутствует постоянно или в течение длительного времени (более одного года). В наиболее строгом смысле термин применяется к полярным областям Луны и некоторых других спутников и планет, где из-за малого наклона оси вращения существуют кратеры, дно которых никогда не освещается Солнцем. В более широком, научно-популярном значении, понятие также используется для описания приполярных районов Земли во время полярной ночи.

Астрономическое определение

С точки зрения астрономии, «область вечной тьмы» (англ. Permanently Shadowed Region, PSR) — это участок поверхности, который не получает прямого солнечного света в течение всего года. Такие области существуют только на телах с очень малым наклоном оси вращения к плоскости орбиты (менее 1,5°). К ним относятся Меркурий, Луна, а также некоторые спутники Юпитера и Сатурна (например, Каллисто, Ганимед, Энцелад, Диона).

Условия формирования

Основной причиной возникновения PSR является рельеф. В полярных регионах, где Солнце никогда не поднимается высоко над горизонтом, кратеры с высокими валами могут отбрасывать постоянную тень на своё дно. Если вал кратера достаточно высок, а его дно достаточно глубоко, солнечные лучи не могут достичь его ни в какое время года. Даже в летнее солнцестояние, когда Солнце находится в наивысшей точке над горизонтом, его лучи падают под таким малым углом, что не перекрывают край кратера.

Области вечной тьмы на Луне

Луна является наиболее изученным объектом в этом контексте. Её ось вращения наклонена всего на 1,54° к плоскости эклиптики, что делает полярные области идеальным местом для существования PSR.

Расположение и размеры

Области вечной тьмы на Луне сосредоточены вблизи обоих полюсов. По данным Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), общая площадь таких зон на южном полюсе составляет около 15 000 км², а на северном — около 10 000 км². Крупнейшими из них являются дно кратера Шумейкер (южный полюс) и дно кратера Эрмит (северный полюс).

Состав и температура

Внутри PSR на Луне царит экстремальный холод. Температура поверхности может опускаться до -240 °C (33 К). Это одни из самых холодных мест в Солнечной системе, даже холоднее, чем поверхность Плутона. Из-за отсутствия солнечного света и тепла, в этих областях, как предполагается, накапливаются летучие вещества, которые в других местах испаряются в космос. В первую очередь это водяной лёд, а также, возможно, аммиак, метан и углекислый газ.

Водяной лёд

Наличие водяного льда в PSR Луны было подтверждено несколькими космическими миссиями. В 2009 году индийский зонд «Чандраян-1» (Chandrayaan-1) с помощью радара Mini-SAR обнаружил водяной лёд в кратере Шумейкер. В 2018 году данные LRO и индийского зонда «Чандраян-2» (Chandrayaan-2) показали, что лёд может составлять до 5-10% массы реголита в некоторых областях. Это делает PSR потенциальным источником воды для будущих лунных баз.

Области вечной тьмы на Меркурии

Меркурий, несмотря на свою близость к Солнцу, также имеет PSR. Его ось вращения наклонена всего на 0,034°, что делает полярные области практически неосвещёнными. В 2012 году данные радара с Земли и миссии MESSENGER подтвердили наличие водяного льда в кратерах на северном полюсе Меркурия. Несмотря на то, что дневная температура на планете достигает +430 °C, в PSR температура опускается до -180 °C, что позволяет льду сохраняться.

Области вечной тьмы на Земле

На Земле термин «области вечной тьмы» в строгом астрономическом смысле не применяется, так как из-за наклона оси (23,44°) все точки поверхности получают солнечный свет хотя бы раз в год. Однако в разговорной речи и некоторых научно-популярных текстах так называют приполярные районы во время полярной ночи.

Полярная ночь

Полярная ночь — это период, когда Солнце не поднимается над горизонтом более суток. Она наблюдается в полярных широтах (выше 66°33′ с.ш. и ю.ш.). Продолжительность полярной ночи увеличивается по мере приближения к полюсу: на Северном полюсе она длится около 176 суток, на Южном — около 182 суток.

Особенности

В отличие от лунных PSR, во время полярной ночи на Земле не наступает полная темнота. Наблюдаются сумерки (гражданские, навигационные, астрономические), а также полярное сияние. Температуры в этот период могут опускаться до -50 °C и ниже, но они не являются рекордными для планеты (рекорд холода зафиксирован в Антарктиде, но не в период полярной ночи, а в зимний период, когда Солнце уже не поднимается).

Исследования и значение

Научное значение

Области вечной тьмы представляют огромный интерес для планетологии. Они являются «холодными ловушками», где сохраняются летучие вещества, которые могут рассказать о составе первичного вещества Солнечной системы. Изучение PSR позволяет понять, как формировались планеты и спутники, а также оценить запасы воды в космосе.

Практическое значение

Водяной лёд в PSR Луны и Меркурия может быть использован как ресурс для будущих космических миссий. Вода может быть переработана в питьевую, а также разложена на водород и кислород для ракетного топлива. Это делает PSR приоритетными целями для исследования и возможного освоения.

Космические миссии

• Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) — американская миссия, запущенная в 2009 году, детально картографировала PSR Луны.
• MESSENGER — американская миссия к Меркурию (2004-2015), подтвердила наличие льда в PSR планеты.
• Чандраян-1 и Чандраян-2 — индийские миссии, обнаружившие водяной лёд в PSR Луны.
• Artemis — программа NASA, предусматривающая высадку астронавтов в районе южного полюса Луны, вблизи PSR.

Интересные факты

• В PSR Луны нет ни одного прямого солнечного луча. Если бы человек оказался на дне такого кратера, он бы видел только звёзды, а Солнце было бы скрыто за валом.
• Несмотря на то, что PSR находятся в тени, их поверхность может быть освещена отражённым светом от соседних гор или стенок кратера. Этот свет очень слабый, но достаточный для того, чтобы можно было ориентироваться.
• В некоторых PSR на Луне обнаружены не только водяной лёд, но и твёрдая углекислота (сухой лёд) и метан.
• На Земле нет ни одной точки, которая находилась бы в вечной темноте. Даже на Северном полюсе Солнце поднимается над горизонтом в день весеннего равноденствия.

Источники

1. Spudis, P. D. (2012). The Moon: Resources, Future Development, and Settlement. Springer.
2. Paige, D. A., et al. (2010). Diviner Lunar Radiometer Observations of Cold Traps in the Moon's South Polar Region. Science.
3. Lawrence, D. J., et al. (2013). Evidence for Water Ice on the Moon: Results from the Lunar Reconnaissance Orbiter. Planetary and Space Science.
4. Chabot, N. L., et al. (2014). Images of Mercury's Polar Deposits from MESSENGER. Geophysical Research Letters.
5. Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) — официальные научные отчёты NASA.