Eine Illustration zeigt einen Asteroiden, der in der Nähe des Mondes in Meteoritenstücke zerbricht (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva)/NASA)
Es ist leicht, sich den Mond als einen atmosphärenlosen Felsbrocken vorzustellen, der die Erde umkreist. Der treue natürliche Satellit unseres Planeten hat jedoch keine atembare Luft, dafür aber eine dünne und schwache Atmosphäre.
Wissenschaftler haben lange über die Existenz dieser dünnen Atmosphäre oder „Exosphäre“ gerätselt und nach dem Hauptprozess gesucht, der sie aufrechterhält, aber neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese dünne Mondatmosphäre oder „Exosphäre“ ihre Existenz der Erneuerung und Auffüllung verdankt, die durch den heftigen Beschuss des Mondes mit Weltraumgestein verursacht wird.
Das Forschungsteam vermutet, dass die Mondatmosphäre hauptsächlich durch diesen Angriff aufrechterhalten wird, und das schon seit Milliarden von Jahren, was ein Phänomen namens „Impaktverdampfung“ verursacht. Dieser Prozess tritt auf, wenn Einschläge den Mondboden aufwirbeln und Materialien verdampfen, die entweder in den Weltraum entweichen oder über dem Mond in der Schwebe bleiben und so seine Exosphäre erneuern.
„Wir geben eine definitive Antwort darauf, dass die Verdampfung von Meteoriteneinschlägen der vorherrschende Prozess ist, der die Mondatmosphäre erzeugt“, sagte die Leiterin des Teams, Nicole Nie, eine Assistenzprofessorin am Massachusetts Institute of Technology (MIT), in einer Erklärung. „Der Mond ist fast 4,5 Milliarden Jahre alt, und während dieser Zeit wurde die Oberfläche ständig von Meteoriten bombardiert. Wir zeigen, dass eine dünne Atmosphäre schließlich einen stabilen Zustand erreicht, weil sie durch kleine Einschläge überall auf dem Mond ständig aufgefüllt wird.“
Inhaltsübersicht
Die Geschichte des Mondes voller Gewalt
Die zerklüftete und vernarbte Oberfläche des Mondes ist eine klare und offensichtliche geologische Erinnerung daran, dass er im Laufe seiner fast 4,5 Milliarden Jahre alten Geschichte mit Weltraumgestein übersät wurde.
In der Frühzeit des Mondes war das junge Sonnensystem heftig und turbulent. Infolgedessen wurde die Mondoberfläche häufig von massiven Meteoriten getroffen. Im Laufe der Zeit wurden durch Kollisionen zwischen den Körpern des Sonnensystems viele größere Gesteinsbrocken niedergeschlagen. Mit zunehmendem Alter des Mondes wurde das Bombardement fortgesetzt, aber die Angreifer schrumpften zu kleineren „Mikrometeoroiden“, d. h. zu Partikeln aus dem Weltraum, die kleiner als ein Sandkorn sind.
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Ein Einschlagskrater auf dem Mond. (Bildnachweis: NASA/GSFC/Arizona State University)
Wissenschaftler vermuteten erstmals, dass der Einschlag von Weltraumgestein auf dem Mond zum Teil für die Entstehung der Exosphäre verantwortlich war, als die NASA-Sonde Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) 2013 die dünne Atmosphäre des Mondes, die Oberflächenbedingungen und die Umwelteinflüsse auf den Mondstaub untersuchte.
Dies veranlasste sie dazu, zwei Prozesse zur Regeneration der Exosphäre hervorzuheben. Der erste war die Stoßverdampfung, der andere das „Ionensputtern“. Der letztgenannte Prozess tritt auf, wenn hochenergetische geladene Teilchen von der Sonne, die als „Sonnenwind“ bekannt sind, auf die Mondoberfläche treffen und Atomen Energie zuführen. Dadurch werden diese Atome auch in die Exosphäre geschleudert.
Eine künstlerische Darstellung der NASA-Raumsonde LADEE, die den Mond besucht, während sie ihre Ergebnisse zur Erde sendet. (Bildnachweis: NASA)
„Anhand der Daten von LADEE schien es, dass beide Prozesse eine Rolle spielen“, erklärte Nie. „Es zeigte sich zum Beispiel, dass während Meteoritenschauern mehr Atome in der Atmosphäre zu sehen sind, was bedeutet, dass Einschläge einen Einfluss haben.
„Es zeigte sich aber auch, dass sich die Atome in der Atmosphäre verändern, wenn der Mond von der Sonne abgeschirmt wird, wie z. B. bei einer Sonnenfinsternis, was bedeutet, dass auch die Sonne einen Einfluss hat. Die Ergebnisse waren also weder eindeutig noch quantitativ.“
Nie und Kollegen wollten herausfinden, welcher Prozess hauptsächlich für die Aufrechterhaltung der Mondatmosphäre verantwortlich ist. Zu diesem Zweck untersuchten sie Mondboden, der während der Apollo-Missionen der NASA gesammelt wurde.
Die Antworten liegen im Dreck
Das Team konnte zehn Proben Mondboden anfassen, von denen jede nur 100 Milligramm misst. Diese Menge ist so klein, dass sie laut Nie in einen einzigen Regentropfen passen würde.
Die Forscher machten sich daran, zwei Elemente in diesen Proben zu isolieren: Kalium und Rubidium. Beide Elemente sind „flüchtig“, d. h. sie können sowohl durch Meteoriteneinschläge als auch durch die vom Sonnenwind verursachte Zerstäubung leicht verdampfen.
Das Team wollte die Verhältnisse der verschiedenen „Isotope“ von Kalium und Rubidium untersuchen. Ein Isotop ist eine Variante eines Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen in seinem Atomkern. Das bedeutet, dass Isotope mit mehr Neutronen (die Anzahl der Protonen kann nicht variieren, wenn das Element in ein anderes Element umgewandelt wird) schwerer sind als solche mit weniger.
Das Team sagte voraus, dass leichte Isotope von Kalium und Rubidium eher in der Exosphäre des Mondes schweben, während schwerere Isotope auf die Mondoberfläche zurückfallen würden. Stoßverdampfung und Ionensputtern sollten jedoch unterschiedlich wirksam sein, um Isotope in die Mondatmosphäre zu schleudern. Wenn man also die Menge der schweren Isotope dieser beiden Elemente im Mondboden mit der Menge der leichteren Isotope in den Proben vergleicht, sollte sich herausstellen, welcher dieser beiden Prozesse der dominantere ist.
„Bei der Stoßverdampfung würden die meisten Atome in der Mondatmosphäre verbleiben, während beim Ionensputtern viele Atome in den Weltraum geschleudert würden“, so Nie.
Nie und Kollegen fanden heraus, dass die Böden hauptsächlich schwere Isotope von Kalium und Rubidium enthielten. Daraus schlossen sie, dass die Verdampfung durch Aufprall der dominierende Prozess ist, durch den die Atome verdampft und zur Bildung der Mondatmosphäre angehoben werden. Sie fanden heraus, dass 70 % der Exosphäre durch Meteoriteneinschläge und Impaktverdampfung erzeugt wurden, während 30 % auf Sonnenwinde und Ionensputterung entfielen.
„Die Entdeckung eines solch subtilen Effekts ist bemerkenswert, dank der innovativen Idee, Kalium- und Rubidium-Isotopenmessungen mit einer sorgfältigen, quantitativen Modellierung zu kombinieren“, sagte Justin Hu, Mondbodenforscher an der Universität Cambridge, der nicht an der Studie beteiligt war. „Diese Entdeckung geht über das Verständnis der Geschichte des Mondes hinaus, da solche Prozesse auch auf anderen Monden und Asteroiden, die im Mittelpunkt vieler geplanter Rückholmissionen stehen, auftreten und von größerer Bedeutung sein könnten.“
Nie räumt auch ein, dass die Erkenntnisse des Teams ohne das Apollo-Programm, das mit Apollo 17 im Dezember 1972 zu Ende ging, einfach nicht möglich gewesen wären.
„Ohne diese Apollo-Proben wären wir nicht in der Lage, präzise Daten zu erhalten und quantitativ zu messen, um die Dinge im Detail zu verstehen“, so Nie abschließend. „Es ist wichtig, dass wir Proben vom Mond und von anderen planetarischen Körpern zurückbringen, damit wir ein klareres Bild von der Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems zeichnen können“, so Nie.
