Las actividades humanas podrían crear atmósferas temporales en la Luna, y contaminarla

Una ilustración de la NASA muestra a astronautas del programa Artemis, o Artemisa, en español, trabajando en la superficie de la Luna. Hay quienes aducen que las actividades humanas en la Luna podrían crear atmósferas de corta duración.

Los humanos planeamos regresar a la Luna a finales de esta década y lo haremos con un objetivo claro en mente: habitarla a largo plazo. Una consecuencia de ese ambicioso objetivo es la alteración no deseada del entorno lunar, incluida su delgada atmósfera.

Cuando los astronautas humanos aterricen en la Luna, en particular en el nuevo módulo de aterrizaje gigante Starship de SpaceX que la NASA contrató para su programa Artemis, expulsarán una cantidad sustancial de polvo al cielo lunar, lo que espesará temporalmente la atmósfera de la Luna. Rosemary Killen, científica planetaria del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Maryland, y sus colegas han investigado cómo la actividad lunar en curso (no solo el lanzamiento y el alunizaje) también afectará al medio ambiente circundante.

El equipo de Killen descubrió que aterrizar, explorar e incluso respirar en la Luna pueden alterar la atmósfera lunar, creando problemas para los humanos y la tecnología en la superficie y haciendo que los objetivos científicos clave sean más difíciles de alcanzar.

Creando problemas

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La Luna está cubierta de un polvo fino, o regolito, que se formó como resultado de innumerables impactos -de asteroides o micrometeoroides- en la superficie lunar a lo largo de miles de millones de años. La Luna también tiene una atmósfera delgada, su exosfera, con una densidad de aproximadamente 100 moléculas por centímetro cúbico en la superficie. Se cree que la exosfera lunar se origina a partir del regolito en polvo que se levanta por los continuos impactos -los científicos han establecido que la Luna ‘absorbe’ muchos de los cuerpos celestes que, de otra manera impactarían en la Tierra- y el viento solar.

Según los científicos, en comparación con los procesos naturales que elevan suavemente el regolito hacia la exosfera, el aterrizaje de una nave espacial será más parecido a un cohete que lanza pólvora desde la superficie de la Luna.

Recordemos que en la primera misión de descenso a la superficie lunar, Armstrong y Aldrin comentaron que tras las actividades en el exterior del módulo, sus trajes volvían con enormes cantidades de polvo fino, que asemejaban a la ceniza, que despedía un olor desagradable en estado húmedo.

Killen estimó que en las zonas que rodean algunas actividades humanas en la Luna, el número de átomos en la exosfera podría aumentar 100.000 veces en comparación con su estado actual, y se extendería hacia arriba en una columna de unos 80 kilómetros. Estos átomos se esparcirían luego por varios kilómetros sobre la superficie lunar.

“Incluso después de que Starship aterrice en la Luna y la columna inicial se disipe, Starship seguirá desgasificando”, explicó Killen. Algunos ejemplos de desgasificación se relacionan con la evaporación del agua u otra humedad en el exterior de la nave espacial, la evaporación del agua de las mochilas de los astronautas y la liberación de aire de las escotillas de las naves o de los entornos habitados. El regolito activado durante las actividades de minería y construcción también alterará la delgada exosfera.

En última instancia, dijo Killen, las actividades humanas podrían crear atmósferas temporales en la Luna. “Podría haber una atmósfera localizada alrededor del astronauta, Starship, los exploradores”, dijo Killen, quien presentó su investigación ayer, 11 de diciembre en la Reunión Anual 2024 de la AGU en Washington, D.C.

El tema es que la creación de estas atmósferas probablemente presentará algunos problemas para los astronautas y los científicos.

Un problema es que el agua evaporada podría depositarse en ciertas regiones de la Luna en forma de hielo. En algunas de estas regiones, como los cráteres de la Luna que están permanentemente en sombra, los científicos esperan identificar y recolectar muestras prístinas de hielo que han estado en la Luna durante miles de millones de años. Estos núcleos de hielo lunares podrían brindar a los científicos información valiosa sobre el origen del agua en la Luna y en la Tierra.

El agua introducida inadvertidamente por la actividad humana puede contaminar las muestras. “Vamos a encontrar agua”, señaló Killen, “y seremos nosotros” la fuente de ese recurso…

Otro problema que plantean las atmósferas temporales es que podrían dificultar el funcionamiento de los aparatos electrónicos en la Luna. Este impedimento complicaría el establecimiento de la infraestructura necesaria para una habitabilidad a largo plazo e incluso plantearía problemas de salud para los astronautas. “Es un problema real”, destacó Killen.

“Vamos a añadir ruido de fondo”

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Si no se reponen, los átomos introducidos en la exosfera caen rápidamente a la superficie. “La vida media es de seis minutos”, afirmó Killen. “Pero, por supuesto, el problema es si la gente se queda allí”.

Estos átomos formarían lo que se denomina una atmósfera de colisión, llamada así porque es lo suficientemente densa como para que los átomos choquen entre sí.

“Una cosa que realmente nos preocupa es que el polvo que levantan los exploradores y demás se va a cargar, por lo que se obtiene lo que se llama plasma polvoriento”, dijo Killen. “Eso va a ser extremadamente tóxico para las personas si llega a sus pulmones. Es como los mineros que contrajeron la enfermedad del pulmón negro”.

Ese mismo polvo también podría causar problemas a la maquinaria. “Puede dañar temporal o permanentemente los componentes electrónicos”, afirmó Killen.

Incluso cuando las partículas atmosféricas caigan a la superficie, es probable que creen problemas. El agua líquida se adhiere a la superficie de la Luna, pero al calentarse con el sol, podría evaporarse y transportarse por la superficie lunar, probablemente depositándose en las regiones frías de los polos.

Este proceso “aumentará la cantidad de agua en las regiones permanentemente sombreadas”, dijo Killen. “Necesitamos medir el hielo lunar antes de comenzar a agregar agua proveniente de las actividades humanas porque vamos a hacer que sea muy difícil averiguar la historia lunar”.

Phil Metzger¹, físico planetario de la Universidad de Florida Central, quien no participó en la investigación, coincidió en que esta contaminación podría dificultar el estudio científico de la Luna. “Si se generan continuamente sustancias volátiles en el lugar de aterrizaje, podría producirse a una densidad lo suficientemente alta como para impedir la medición de los procesos naturales en la Luna”, afirmó.

“La masa de gas que se expulsará al entorno lunar con el aterrizaje de una nave espacial es aproximadamente diez veces la masa de toda la atmósfera global de la Luna”, continuó. “Eso es sólo por un aterrizaje. Queremos resolver los problemas científicos lo más rápido posible porque es inevitable que agreguemos ruido de fondo”.

Área de conservación lunar

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La actividad humana ya ha alterado el paisaje lunar, y es probable que se produzcan cambios en la exosfera lunar de forma inevitable, admitió Killen.

“Todo se desgasificará”, dijo. “Los astronautas tienen que enfriarse, y la forma más obvia de hacerlo es mediante refrigeración por agua. Necesitan un hábitat lleno de oxígeno y nitrógeno, y cada vez que se abren las esclusas de aire, parte de ese oxígeno y nitrógeno se va a escapar”.

Una forma sugerida de mitigar los efectos de la desgasificación es crear una zona de conservación lunar, protegida para el estudio científico. “Una propuesta es designar el polo norte como zona de exclusión de la actividad humana, excepto para investigaciones científicas”, dijo Killen. “De esa manera habría una mejor oportunidad de determinar la historia del sistema Tierra-Luna”.

De hecho, primero “estamos trabajando para entender los efectos” de la desgasificación de las actividades lunares, dijo Killen. La segunda prioridad de los científicos es “mitigar los efectos para las personas y los instrumentos. Ese es el siguiente paso”.

Este artículo está basado en Human Activities Might Create Temporary Atmospheres on the Moon, escrito por Jonathan O’Callaghan, Science Writer
Citation: O’Callaghan, J. (2024), Human activities might create temporary atmospheres on the Moon, Eos, 105, https://doi.org/10.1029/2024EO240532. Published on 11 December 2024. Text © 2024. The authors. CC BY-NC-ND 3.0
Except where otherwise noted, images are subject to copyright. Any reuse without express permission from the copyright owner is prohibited.

English version

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Human Activities Might Create Temporary Atmospheres on the Moon

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Human activities on the Moon could stir up short-lived atmospheres. Credit: NASA

Humans plan to return to the Moon later this decade and will do so with a clear goal in mind: long-term lunar habitation. One outcome of that ambitious goal is unintended alteration of the lunar environment, including its thin atmosphere.

When humans touch down on the Moon, particularly in SpaceX’s giant new Starship lander that NASA has contracted for its Artemis program, they will kick a substantial amount of dust into the lunar sky, temporarily thickening the Moon’s atmosphere. Rosemary Killen, a planetary scientist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Maryland, and her colleagues have investigated how ongoing lunar activity (not just launching and landing) will also affect the surrounding environment.

Killen’s team found that landing, exploring, and even breathing on the Moon can alter the lunar atmosphere, creating problems for humans and technology on the surface and making key science goals harder to achieve.

Kicking Up Trouble

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The Moon is covered in fine dust, or regolith, which formed as a result of countless impacts to the lunar surface over billions of years. The Moon also has a thin atmosphere, its exosphere, with a density of about 100 molecules per cubic centimeter at the surface. The lunar exosphere is thought to originate from powdery regolith being kicked up by impacts and the solar wind.

Compared with the natural processes that gently loft regolith into the exosphere, a Starship landing will be more akin to, well, a rocket launching powder off the Moon’s surface.

Killen estimated that in areas surrounding some human activities on the Moon, the number of atoms in the exosphere could increase 100,000 times compared with what it is now and extend upward in a column of about 80 kilometers. These atoms would then spread out several kilometers over the lunar surface.

“Even after Starship lands on the Moon and the initial plume dissipates, Starship itself [will continue] to outgas,” Killen explained. Examples of outgassing include the evaporation of water or other moisture on the spacecraft’s exterior, evaporation of water from astronauts’ backpacks, and the release of air from airlocks. Regolith kicked up from mining and construction activities will also alter the thin exosphere.

Ultimately, Killen said, human activities might create temporary atmospheres on the Moon. “You [might] have a localized atmosphere around the astronaut, Starship, the rovers,” said Killen, who presented her research on 11 December at AGU’s Annual Meeting 2024 in Washington, D.C.

The creation of these atmospheres will likely present some problems for astronauts and scientists.

One problem is that evaporated water could settle in regions of the Moon as ice. Some of these regions, such as the Moon’s permanently shadowed craters, are where scientists hope to identify and collect pristine samples of ice that have been on the Moon for billions of years. These lunar ice cores could give scientists valuable insight into the origin of water on the Moon—and on Earth.

Water inadvertently introduced by human activity may contaminate the samples. “We’re going to find water,” said Killen, “and it’s going to be us.”

Another issue created by temporary atmospheres is that they could hamper the function of electronics on the Moon. This impediment would complicate the establishment of infrastructure necessary for long-term habitation and would even raise health concerns for astronauts. “It’s a real problem,” said Killen.

“We’re Going to Be Adding Noise to the Background”

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If not replenished, atoms introduced to the exosphere quickly fall to the surface. “The lifetime is 6 minutes on average,” said Killen. “But of course the problem is if people stay there.”

These atoms would form what’s called a collisional atmosphere, so named because it is dense enough for atoms to bump into each other.

“One thing we’re really concerned about is that the dust kicked up by rovers and whatnot is going to be charged, so you get what’s called a dusty plasma,” said Killen. “That is going to be extremely toxic to people if it gets into their lungs. It’s like miners who got black lung disease.”

That same dust could also pose problems for machinery. “It can temporarily or permanently disrupt your electronics,” said Killen.

Even when atmospheric particles fall to the surface, they will likely create problems. Any liquid water will stick to the surface of the Moon, but when heated by the Sun, it could be evaporated and transported over the lunar surface, likely settling in cold regions at the poles.

This process “will increase the water in the permanently shadowed regions,” said Killen. “We need to measure the lunar ice before we start adding water from human activities because we’re going to make it very difficult to figure out lunar history.”

Phil Metzger, a planetary physicist at the University of Central Florida who was not involved in the research, agreed that this contamination could make scientific study of the Moon difficult. “If you are continuously generating volatiles at your landing site, it could occur at a sufficiently high density that it prevents you from measuring natural processes on the Moon,” he said.

“The mass of gas that will be blown into the lunar environment by one Starship landing is about 10 times the mass of the entire global atmosphere on the Moon,” he continued. “That’s just from one landing. We want to solve the science as quickly as we can because it’s inevitable that we’re going to be adding noise to the background.”

Lunar Conservation Area

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Human activity has already altered the lunar landscape, and introducing change to the lunar exosphere is likely inevitable, Killen admitted.

“Everything is going to outgas,” she said. “The astronauts have to be cooled, and the most obvious way of doing that is water cooling. They need a habitat filled with oxygen and nitrogen, and every time you open the airlocks, some of that is going to escape.”

One suggested way to mitigate the effects of outgassing is to create a lunar conservation area, protected for scientific study. “One proposal is to designate the north pole as a keep-out zone for human activity, except for scientific investigations,” said Killen. “That way you’d have a better chance of determining the history of the Earth-Moon system.”

First, however, “we’re working on understanding the effects” of outgassing from lunar activities, Killen said. Scientists’ second priority is “mitigating the effects for people and instruments. That’s the next step.”

—Jonathan O’Callaghan, Science Writer

Citation: O’Callaghan, J. (2024), Human activities might create temporary atmospheres on the Moon, Eos, 105, https://doi.org/10.1029/2024EO240532. Published on 11 December 2024.
Text © 2024. The authors. CC BY-NC-ND 3.0
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