Дистанционное зондирование лунной коры в инфракрасном диапазоне при поисках воды
Сотрудники лаборатории геохимии углерода им. Э.М. Галимова Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН изучили особенности инфракрасных спектров (полный ИК-интервал) основного минерала лунных пород — анортита (Ca-плагиоклаз), содержащего воду.
Проведено сравнение численных моделей, построенных с помощью CUSTEP (Biovia Materials Studio), и измерений природных образцов с применением ИК-спектрометрии. Для этих целей использован Фурье-спектрометр ФТ-801 с приставкой для метода двойного прохождения (Симекс, Новосибирск). Рассмотрены приложения к поиску воды на планетах земной группы, а также роль анортитов в качестве индикаторов изотопного состава абсорбированной воды для поверхности Луны. Дешифровка инфракрасных спектров будет иметь важное значение для анализа данных орбитальной космической миссии «Луна-26». Результаты опубликованы в журнале «Астрономический Вестник» / Solar System Research.
Спектры отражения/пропускания ИК–излучения и оптический показатель преломления «сухого» анортита отличаются от «влажного», то есть содержащего группы H2O/D2O/HDO и OH/-OD. При этом вода может быть включена в кристаллическую структуру и/или адсорбироваться на поверхности частиц. Анортит важен как основной породообразующий минерал лунной континентальной коры, которая покрывает более 70 % поверхности Луны.
Ближний ИК спектр отражения «влажного» анортита: синий – с D2O, красный — c H2O, зелёный — с HOD
Представлены результаты численного моделирования с помощью модуля ALT/CUSTEP (Biovia Materials Studio) и экспериментальных исследований с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра с подключаемыми приставками для пропускания/диффузного отражения, а также Рамановского спектрометра inVia Renishaw Reflex. Численные расчёты показали, что кристаллическая решётка анортита остаётся стабильной при вхождении в неё гидроксильных групп и молекулярной воды. Спектры комбинационного рассеяния показали формирование сложной сети скоплений воды на поверхности анортита после увлажнения. Рассчитанные ИК-спектры изотопов воды, абсорбированной анортитом, были сопоставлены с наблюдениями летающей инфракрасной обсерватории SOFIA (NASA/DLR). Наличие изотопных форм ‒OH/–OD и HDO воды подтверждено в полученном ИК спектре, но для обнаружения D2O потребуется дополнительное удалённое зондирование в рекомендованных интервалах.
«На основе проведённых исследований были отобраны характерные области ИК=спектра (fingerprint) с наиболее существенными различиями, вызванными взаимодействиями атомов кристаллической решётки с гидроксильными группами и молекулярной водой различного изотопного состава», — прокомментировал ведущий научный сотрудник лаборатории геохимии углерода им. Э.М. Галимова ГЕОХИ РАН кандидат физико-математических наук Сергей Воропаев.
Эти особенности важно учитывать, поскольку реакции биосистем с водой могут варьироваться в зависимости от количественных и качественных изменений в её изотопном составе. Эволюция живых организмов привела к формированию ряда биохимических процессов, в основном с ведущей ролью лёгких изотопов. Фракционирование изотопов, происходящее в организме человека в ходе метаболизма, сопровождается фиксацией лёгких изотопов и удалением тяжёлых стабильных изотопов воды. Употребление воды с повышенной концентрацией тяжёлых изотопов, D или 18O/17O, со временем вызывает выраженное токсическое воздействие на организм человека. Таким образом на Луне недостаточно только найти воду, необходимо эффективно определять её изотопный состав.
Спектроскопические методы доказали свою эффективность в данной области. Целью проведённой работы было определение влияние изотопного состава воды в основном минерале лунной коры (анортит) на результирующие ИК спектры поглощения и отражения. Это важно, как для полевых исследований, так и для анализа данных орбитальной космической миссии «Луна-26».
Источник: ГЕОХИ РАН.