Jaka jest temperatura na Księżycu? Fakty i ciekawostki

Na Księżycu temperatura waha się od około +120–130°C w dzień do nawet -190°C, a lokalnie ok. -250°C w wiecznie zacienionych kraterach, więc jest skrajnie nieprzyjazna człowiekowi. Takie amplitudy bez atmosfery oznaczają, że bez ochrony technicznej człowiek nie ma tam szans przeżyć nawet kilku minut. Jeśli chcesz zrozumieć, skąd biorą się te wartości i gdzie na Srebrnym Globie bywa zaskakująco „przyjemne” +17°C, przeczytaj dalszą część artykułu.

Jaka jest temperatura na Księżycu w dzień i w nocy?

Na początku trzeba podkreślić jedno – Księżyc praktycznie nie ma atmosfery, jego ciśnienie to zaledwie około 3×10⁻¹⁰ Pa. Brak gazowej otuliny sprawia, że powierzchnia nagrzewa się niemal bezpośrednio od promieniowania słonecznego, a potem równie szybko oddaje ciepło w próżnię. Dlatego temperatura zależy niemal wyłącznie od tego, czy dane miejsce jest oświetlone Słońcem, czy pogrążone w cieniu.

W okolicach równika podczas dnia księżycowego – który trwa mniej więcej 14 ziemskich dni – grunt rozgrzewa się do około +120°C, lokalnie nawet +127–130°C. To więcej niż zmierzono na najgorętszych pustyniach Ziemi, gdzie rekordowe wartości powierzchni to około +80°C na pustyni Lut czy Sonora. Gdy zaczyna się noc, również trwająca blisko 14 dni, ta sama powierzchnia wychładza się do około -130 do -173°C, a w niektórych pomiarach podaje się wartości sięgające -190°C.

Tak ogromna amplituda – rzędu ponad 300°C w jednym cyklu dobowym – jest efektem nie tylko braku atmosfery, ale też właściwości materiału, którym pokryta jest powierzchnia. Regolit, czyli drobny, ostrokrawędzisty pył tworzony przez miliardy lat bombardowania meteoroidami, ma niewielką pojemność cieplną w wierzchniej warstwie, więc szybko reaguje na dopływ i ubytek energii słonecznej. Głębiej, gdzie regolit przechodzi w tzw. megaregolit i skałę, zmiany temperatury są wolniejsze, lecz wciąż ogromne w skali znanej z Ziemi.

Najzimniejsze miejsca na Księżycu

Najniższe temperatury nie pojawiają się na równiku, lecz w pobliżu biegunów, w obszarach wiecznie zacienionych. Głęboko w kraterach południowego bieguna, położonych m.in. wewnątrz gigantycznego basenu Biegun Południowy – Aitken o średnicy około 2500 km i głębokości 13 km, sondy NASA zmierzyły wartości rzędu -238 do -253°C. To zaledwie kilkadziesiąt stopni powyżej tzw. zera absolutnego (-273°C), czyli minimalnej możliwej temperatury, jaką może mieć ciało fizyczne. Dno takich kraterów – pogrążone w wiecznym cieniu z powodu niewielkiego nachylenia osi obrotu Księżyca – nigdy nie widzi bezpośrednio Słońca, dlatego staje się swoistą „zamrażarką” Układu Słonecznego.

Dlaczego temperatura na Księżycu tak się waha?

Na Ziemi różnice między dniem a nocą łagodzi atmosfera i ocean – magazynują ciepło, a ruchy powietrza rozprowadzają energię nad całą planetą. Na Księżycu nie ma wiatru, konwekcji ani chmur, które wyrównywałyby bilans cieplny. Każdy fragment powierzchni zachowuje się niemal jak odsłonięta, czarna skała w próżni – intensywnie nagrzewa się w słońcu i szybko stygnie, gdy Słońce zachodzi.

Niewielkie nachylenie osi obrotu – około 3,6–6,7° względem płaszczyzny orbity wokół Ziemi – sprawia, że zmienność pór „roku” na Księżycu jest dużo mniejsza niż na Ziemi. Z kolei nachylenie płaszczyzny orbity względem ekliptyki, wynoszące około 5,1°, prowadzi do tego, że promienie słoneczne nigdy nie oświetlają dna najgłębszych kraterów okołobiegunowych. Właśnie tam stwierdzono wspomniane rekordowo niskie temperatury, a także podwyższoną zawartość lodu wodnego, którego stabilność zapewnia permanentny cień i ekstremalny mróz.

Rola regolitu

Regolit tworzy na Księżycu warstwę o grubości 3–5 m na morzach i nawet 10–20 m na wyżynach. To mieszanina rozdrobnionej skały, szkliw, pyłu i odłamków meteorytów, powstała w wyniku wielomiliardowego bombardowania. W ciągu dnia cienka wierzchnia warstwa nagrzewa się niezwykle szybko – działa niemal jak ciemne, porowate szkło. Nocą oddaje ciepło tylko poprzez promieniowanie w podczerwieni, nie ma bowiem ani powietrza, ani wody, które mogłyby je przenieść. Dlatego zmiana temperatury zachodzi w sposób gwałtowny w skali geologicznej, choć w przeliczeniu na zegarek trwa to wiele ziemskich godzin.

Jak mierzy się temperaturę na Księżycu?

Najbardziej szczegółowe dane temperaturowe dostarczyła sonda Lunar Reconnaissance Orbiter, która od 2009 roku krąży wokół Księżyca. Instrumenty na jej pokładzie, w tym radiometry i kamery pracujące w podczerwieni, mapują emisję cieplną powierzchni z rozdzielczością sięgającą kilkudziesięciu metrów. W ten sposób udało się zidentyfikować nie tylko rejony najzimniejsze, ale też zaskakująco „łagodne” termicznie, jak niektóre jaskinie i zapadnięte tunele lawowe na obszarze Mare Tranquillitatis, gdzie w zacienionych fragmentach odnotowano stałe okolice +17°C.

Czy temperatura na Księżycu jest zabójcza dla człowieka?

Porównując dane z Księżyca z rekordami ziemskimi, różnica jest uderzająca. Na naszej planecie skrajne odczyty to około -98°C na lodowcowej wyżynie Antarktydy Wschodniej i ponad +80°C na niektórych pustyniach. Amplituda około 178°C dotyczy przy tym niewielkich, lokalnych obszarów i jest łagodzona przez atmosferę. Tymczasem na Księżycu wartości przekraczające +100°C w dzień i spadki poniżej -150°C w nocy obejmują rozległe obszary i są stanem niemal „normalnym”.

Dla ludzkiego organizmu już ekspozycja na kilkadziesiąt stopni powyżej zera bez ochrony kończy się przegrzaniem, a krótkotrwały kontakt z temperaturami poniżej -50°C prowadzi do odmrożeń i zaburzeń funkcjonowania układu krążenia. Na Księżycu skrajności te są tak duże, że bez izolacji termicznej ciało zaczęłoby gwałtownie tracić (lub pochłaniać) ciepło, co w połączeniu z próżnią i brakiem tlenu oznaczałoby śmierć w ciągu minut.

Dlaczego skafandry są konieczne?

Astronauci misji Apollo 11, tacy jak Neil Armstrong i Edwin Aldrin, wyszli na powierzchnię Księżyca w skomplikowanych skafandrach o warstwowej budowie. Ich zadaniem było jednoczesne zapewnienie: ciśnienia zbliżonego do ziemskiego, dopływu tlenu, odprowadzania dwutlenku węgla, ochrony przed promieniowaniem kosmicznym i – co bardzo istotne – stabilnych warunków termicznych. W ich wnętrzu utrzymywano temperaturę zbliżoną do komfortowej, choć na zewnątrz panuł żar rzędu setek stopni Celsjusza, a kilka kroków dalej w cieniu mogło być już kilkadziesiąt stopni poniżej zera.

Kolejnym elementem jest kolor. Pomarańczowe skafandry, znane ze startów i lądowań, zaprojektowano tak, by dobrze było je widać na tle nieba i wody – chodzi o łatwiejsze odnalezienie załogi w razie awaryjnego wodowania. W przestrzeni kosmicznej i na Księżycu astronauci noszą białe skafandry. Jasna barwa odbija większą część promieniowania słonecznego, zmniejszając nagrzewanie zewnętrznych warstw. W połączeniu z systemami cyrkulacji wody i radiatorami umożliwia to utrzymanie stosunkowo stabilnej temperatury wewnątrz.

Bez ciśnienia, tlenu i ochrony przed zakresem od +120°C do -170°C człowiek na Księżycu umiera w ciągu kilku minut – temperatura jest jednym z kilku równorzędnych, śmiertelnych zagrożeń.

Gdzie na Księżycu panują „łagodne” temperatury?

Paradoksalnie, najbardziej interesujące dla przyszłych misji załogowych są miejsca, gdzie temperatura nie skacze tak drastycznie między dniem a nocą. Analiza danych z misji Lunar Reconnaissance Orbiter pokazała, że w niektórych zapadniętych tunelach lawowych i jaskiniach, zwłaszcza na obszarze Morza Spokoju, temperatura utrzymuje się w okolicach +17°C przez cały księżycowy dzień i noc. Osłona w postaci kilkudziesięciu metrów skały i regolitu tłumi wahania promieniowania słonecznego, a także chroni przed meteoroidami i promieniowaniem kosmicznym.

Jedna z takich struktur w rejonie Mare Tranquillitatis, o głębokości około 100 metrów i rozmiarach boiska piłkarskiego, stała się kandydatem na naturalną „nieckę” pod przyszły habitat. Jeżeli pod zapadniętym sklepieniem rzeczywiście znajduje się rozległy tunel lawowy, to jego wnętrze mogłoby oferować niezwykle stabilne środowisko – termicznie przypominające warunki w nieogrzewanej, lecz suchej jaskini na Ziemi.

Jaskinie i tunele lawowe jako naturalne osłony

Pod grubą warstwą regolitu potencjalni mieszkańcy bazy byliby osłonięci nie tylko przed skrajnościami temperatury, ale też przed stałym bombardowaniem mikrometeoroidami oraz przepływem wysokoenergetycznych cząstek – promieniowania kosmicznego. Zespół badawczy analizujący dane z LRO zwrócił uwagę, że podobna strategia – korzystanie z naturalnych jaskiń – była w historii Homo sapiens dość typowa. Powrót do takiego „architektonicznego” rozwiązania w środowisku księżycowym ma więc logiczne techniczne uzasadnienie.

W zacienionych fragmentach niektórych tuneli lawowych temperatura bliska +17°C eliminuje większość problemów z ogrzewaniem i chłodzeniem bazy księżycowej, zostawiając inżynierom do rozwiązania głównie kwestie atmosfery i energii.

Jak temperatura na Księżycu wpływa na plany eksploracji?

Ekstremalne warunki termiczne wymuszają bardzo precyzyjne planowanie miejsc lądowań i przyszłych baz. Regiony w pobliżu biegunów, zwłaszcza okolice basenu Biegun Południowy – Aitken, są atrakcyjne z dwóch powodów: występują tam rejony wiecznie zacienione o temperaturach około -200°C, w których może trwale zalegać lód wodny, oraz tzw. „szczyty wiecznego światła” – obszary na krawędziach kraterów, oświetlone przez znaczną część księżycowego dnia i nadające się na lokalizacje elektrowni słonecznych.

Z kolei rejony równikowe, takie jak Mare Tranquillitatis, kuszą wcześniejszym doświadczeniem z misji Apollo 11, relatywnie łagodnym ukształtowaniem terenu oraz obecnością struktur podpowierzchniowych, w których można liczyć na stabilne temperatury. Dane temperaturowe pomagają inżynierom oszacować, jak grube muszą być ściany habitatów, jakie moce muszą mieć systemy ogrzewania i chłodzenia oraz jak rozmieszczać radiatory i panele słoneczne, aby poradzić sobie z cyklem od upału do mrozu.

Porównanie typowych zakresów temperatur

Aby uchwycić skalę różnic między Ziemią a Księżycem, warto zestawić w jednym miejscu orientacyjne wartości temperatur w najważniejszych kontekstach:

Jak ekstremalne temperatury łączą się z innymi zagrożeniami?

Wysokie i niskie temperatury nie występują na Księżycu w izolacji. Brak atmosfery oznacza, że powierzchnię swobodnie bombardują meteoroidy – od mikroskopijnych ziaren po spore kamienie, które na Ziemi spaliłaby warstwa powietrza. Taki obiekt, spadający z prędkością kilkunastu kilometrów na sekundę, może w każdej chwili uderzyć w odsłoniętą powierzchnię, dlatego tunel lawowy czy jaskinia daje jednocześnie tarczę mechaniczną i termiczną.

Dodatkowo, bez osłony magnetosfery Ziemi, teren Srebrnego Globu jest stale smagany strumieniem cząstek z wiatru słonecznego i promieniowania kosmicznego o wysokich energiach. W ciągu dnia słoneczne ultrafiolet i promieniowanie X, a w nocy napływ elektronów z magnetosfery mogą ładować powierzchnię elektrostatycznie, wpływając nawet na zachowanie drobnego regolitu. W takim środowisku projektując habitat, trzeba brać pod uwagę równocześnie: izolację cieplną, osłonę radiacyjną i ochronę przed mikrometeorytami, bo wszystkie te czynniki są równie istotne dla bezpieczeństwa załogi.

Regolit pokrywający Księżyc – miejscami na głębokość 10–20 metrów – to jednocześnie źródło problemów z pyłem i gotowy materiał na osłonę termiczną oraz radiacyjną przyszłych baz.