The History of the Lunar Atmosphere and the Possibility of the Presence of Ice and Organic Compounds on the Moon

Abstract

The maximum density and the probable composition of the ancient lunar atmosphere are considered. It is assumed that the Moon had been formed as a cold solid body, with the relative abundance of volatile substances similar to that of the Earth. The total amount of released volatiles is supposed to be 100 kg H₂ O, 5 kg CO₂, 0. 23 kg N₂ per 1 cm² of the lunar surface. In accordance with the data on the thermal history of the Moon, heated by radioactive elements, it is supposed that the period of intense degasation of its interiors coincided with the period of their melting, i. e. it lasted about 10⁹ years some (2, 5 – 3) · 10⁹ years ago. During the accumulation of the atmosphere its escape rate increased and when the degasation faded the density of the atmosphere diminished to its present value. The maximum density near the surface is determined from the equality of the escaping flow to the flow from interiors during the period of active degasation and found to be equal 10⁻⁸ – 10⁻⁹ of that of the contemporary terrestrial atmosphere. This corresponds to the density at heights about 150 km above the surface of the Earth. Therefore the most abundant components of the lunar atmosphere H₂O and CO₂ were mainly dissociated into O and CO.

The liquid water probably never existed on the lunar surface because the density of the water vapours was always much lower than the saturation density. It seems that the presence of methane in the lunar atmos — phere was impossible because in the presence of free oxygen, methane is unstable.

We cannot agree with the conclusion of K. Watson, B. Murray and H. Brown¹ on the great importance of “cold traps”, (permanently shadowed crater pits in polar regions) in the process of redistribution and con — servation of H₂O on the Moon, and on their role as indicators of ancient activity of lunar interiors. The volume of these “traps” could permit to retain on the Moon not more than 10⁻³ of the total amount of released water.

The suggestions of C. Sagan² must be also revised. He concluded that in the lunar soil some complex organic compounds of aminoacid type can exist in a considerable quantity. This statement is based on the assump‑tionthat the Moonhad in the past very dense atmosphere containing methane, ammonia and other gases in mixture of which the organic synthesis was possible. The rarefaction of the lunar atmosphere, the predomi - nance of photodissociation processes over these of synthesis, andlacking of the necessary mixture of gases were unfavorable for the formation of complex organic substance there.

Résumé

La densité maximale et la composition probable de l’atmosphère ancienne de la Lune sont considérées. Nous avons supposé que la Lune s’ést formée comme un corps froid solide, ayant l’abondance relative des substances volatiles semblable à celle dans la Terre. La quantité totale des volatiles libérées, est supposée égale à 100 kg H₂O, 5 kg CO₂, 0. 25 kg N₂ per 1 cm² de la surface lunaire. D’accord avec les données de l’histoire thermique de la Lune, chauffée par les éléments radioactifs, nous avons accepté que la dégasation intensive de ses parties intérnes avait lieu pendant leur fusion il y a 2. 5 – 3 × 10⁹ années et durait environ 109 années. A mesure que l’atmosphère s’accumulait son chappement s’accélérait et quand la dégasation cessait, la densité de l’atmosphère diminuait jusqu’a. la quantité actuelle. La densité de l’atmosphère maximale près de la surface est déterminée traitant en égaux le flux des molécules échappantes et le flux de l’intérieur pendant la dégasation active. Elle est trouvée égale à 10⁻⁸ – 10⁻⁹ de celle-ci de l’atmosphère actuelle de la Terre, c’est-a-dire elle correspondait h la densité atmosphérique à la hauteur de 150 km au dessus de la surface de la Terre. Par conséquent les composants les plus abondants de l’atmosphère lunaire H₂O et CO₂ étaient pour la plupart dissociés en O et CO.

L’eau liquide probablement n’éxistait jamais sur la surface lunaire parce que la densité des vapeurs d’eau était là beaucoup moindre que celle de la saturation. La présence du méthane dans l’atmosphère lunaire partit très doutable car le méthane est instable en présence de l’oxygène libre.

Nous ne pouvons pas consentir avec la conclusion de K. Watson, B. Murray et H. Brown¹ sur la grande importance des “pièges froids” (des fosses de craters constamment ombragées dans les régions polaires) pour la redistribution et la conservation de H₂ O sur la Lune et sur leur rate des indicateurs de l’activité anciénne d’intérieur lunaire. Le volume de ceux “pièges” permettait de retenir sur la Lune seulement 10^-3 de la quantité totale de l’eau libérée.

Les suggestions de C. Sagan² doient étre revisées aussi sur l’existen - ce dans le sol lunaire des composés organiques du type des aminoacides en quantité considerable. Cette affirmation est basée sur l’hypothèse que la Lune avait une atmosphère très dense, riche en méthane, ammoniac et autres gaz, dans la mixture desquels la synthèse organique était possible. Mais la raréfaction de l’atmosphère lunaire, la prédominance de la photodissociation des molécules complexes sur leur synthèse et l’absence de la mixture des gas nécessaires n’étaient pas favorables pour la formation des composés organiques complexes.

Aбстрактный

Определяются плотность и вероятный состав лунной атмосферы. Предполагается, что Лу-на образовалась в виде холодного твердого тела и имела оди-наковое с Землей относительное обилие летучих веществ.Пол-ное количество выделившихся из ее недр летучих веществ принято равным 100 кг H₂O,5 кг CO₂, 0,23кг 2нa 1 cм2 лунной поверхности.В соответствии с данными термической истории Луны разогреваемой радиоактивными элементами,пред-полагается, что период интенсивной дегазации лунных недр сов-падал со временем их плавления около 2.5–3 млрд лет нaзад и продолжался около10⁹ лет.По мере накопления атмос-феры скорость ее диссипации увеличивалась,когда же дегаза-ция прекратилась,плотность атмосферы уменьшилась до ее со-временного значения .Максимальная плотность вблизи поверх-ности определяется из равенства потока диссипирующих газов потоку выделяющихся из недр в период интенсивной дегазации и составляет 10⁻⁸–10⁻⁹ плотности современной земной атмо-сферы.Это соответствует плотности на высотах около 150 км над поверхностью Земли .Следовательно наиболее обильные ком-поненты лунной атмосферы H₂O и CO₂ были в основном диссо-циированы на О и СО.

Жидкой воды на поверхности Луны,вероятно,никогда не было, так как плотность паров воды была много ниже плотности на-сыщенных паров .Метан,повидимому,не мог существовать в лун-ной атмосфере,так как он не устойчив в присутствии свобо-дного кислорода.

Нельзя согласится с выводами К. Уотсона,Б .Мюррея и X.Браунa^1/ о большой роли’колодных ловушек “ (вечно затеделения и сохранения воды на Луне,а также об их значении как индикаторов древней активности лунных недр .Вследствие малой емкости ”ловушки“ могли удержать на Луне менее 10^-3 всей выделившейся из недр воды.

Нуждается также в пересмотре вывод К.Сагана^2/ о возмож-ности существования в поверхностном слое Луны в значитель-ном количестве сложных органических соединений типа амино-кислот.Это заключение основано на предположении,что в про-шлом Луна имела очень плотную атмосферу, содержащую ме-тан, аммиак и др. газы, в смеси которых был возможен орга-нический синтез .Разреженность лунной атмосферы,преоблада-ние процессов фотодиссоциации над процессами синтеза,а так-же отсутствие необходимой смеси газов создавали неблагопри-ятные условия для образования в лунной атмосфере сложных органических соединений.