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Man kann sich den Mond leicht als einen atmosphärenlosen Felsbrocken vorstellen, der die Erde umkreist. Obwohl der Mond, der treue natürliche Begleiter unseres Planeten, über keine atembare Luft verfügt, verfügt er über eine dünne und dampfförmige Atmosphäre.
Wissenschaftler haben sich schon lange über die Existenz dieser dünnen Atmosphäre oder „Exosphäre“ gewundert und nach dem primären Prozess gesucht, der sie aufrechterhält. Doch neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass diese dünne Mondatmosphäre oder „Exosphäre“ ihre Existenz der Erneuerung und dem Wiederaufbau aufgrund der heftigen Bombardierung verdankt von Weltraumgesteinen auf dem Mond.
Das Team hinter dieser Studie geht davon aus, dass die Mondatmosphäre seit Milliarden von Jahren hauptsächlich durch diese Aggression angetrieben wird, die ein Phänomen namens „Impaktverdampfung“ verursacht. Dieser Prozess findet statt, wenn Einschläge den Mondboden anheben und Material verdampfen, das in den Weltraum entweicht oder über dem Mond schwebt, wodurch seine Exosphäre erneuert wird.
„Wir haben eine endgültige Antwort geliefert: Die Verdampfung durch Meteoriteneinschläge ist der dominierende Prozess, der die Mondatmosphäre erzeugt“, sagte Nicole Nie, Assistenzprofessorin am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Leiterin des Teams, in einer Erklärung. „Der Mond ist fast 4,5 Milliarden Jahre alt und während dieser Zeit wurde seine Oberfläche kontinuierlich von Meteoriten bombardiert. Wir zeigen, dass eine dünne Atmosphäre im Laufe der Zeit einen stabilen Zustand erreicht, da sie durch kleine Einschläge auf dem gesamten Mond kontinuierlich erneuert wird.“
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Die Geschichte der Gewalt auf dem Mond
Die rissige 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 war.
Zu Beginn des Lebens des Mondes war das entstehende Sonnensystem heftig und turbulent. Infolgedessen wurde die Mondoberfläche häufig von massiven Meteoriten getroffen. Im Laufe der Zeit haben Kollisionen zwischen Körpern des Sonnensystems viele größere Weltraumgesteine zertrümmert. Das bedeutet, dass das Bombardement mit zunehmendem Alter des Mondes weiterging, die Angreifer jedoch auf kleinere „Mikrometeoroiden“ reduziert wurden, Partikel aus dem Weltraum, die kleiner als ein Sandkorn waren.
Diese weniger spektakulären Einschläge reichten jedoch aus, um die Einschlagverdampfung fortzusetzen und die Mondatmosphäre kontinuierlich aufzufüllen.
Als der Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) der NASA im Jahr 2013 die dünne Atmosphäre des Mondes, die Oberflächenbedingungen und Umwelteinflüsse auf den Mondstaub untersuchte, begannen Wissenschaftler zu vermuten, dass der Ansturm von Weltraumgesteinen auf den Mond teilweise für die Entstehung der Exosphäre verantwortlich war.
Dies veranlasste sie, zwei Regenerationsprozesse der Exosphäre hervorzuheben. Das erste ist das Aufprallsprühen, das zweite das „Ionensprühen“. Der letztere Prozess findet statt, wenn hochenergetische geladene Teilchen von der Sonne, bekannt als „Sonnenwind“, auf die Mondoberfläche treffen und Energie auf Atome übertragen. Dadurch werden diese Atome auch in die Exosphäre geschleudert.
„Basierend auf den LADEE-Daten scheint es, dass beide Prozesse eine Rolle spielen“, sagt Nie. „Daten zeigen beispielsweise, dass wir bei Meteoritenschauern mehr Atome in der Atmosphäre sehen, was bedeutet, dass die Einschläge Wirkung zeigen. »
„Aber es zeigte sich auch, dass es bei der Abschirmung des Mondes von der Sonne, etwa bei einer Sonnenfinsternis, auch zu Veränderungen in den Atomen der Atmosphäre kommt, sodass auch die Sonne einen Einfluss hat.“ Die Ergebnisse waren daher weder eindeutig noch quantitativ. »
Nie und seine Kollegen wollten herausfinden, welcher Prozess hauptsächlich für die Aufrechterhaltung der Mondatmosphäre verantwortlich ist. Dazu griffen sie auf Mondboden zurück, der während der Apollo-Missionen der NASA gesammelt wurde.
Die Antworten liegen in der Erde
Das Team konnte zehn Mondbodenproben berühren, von denen jede nur 100 Milligramm wog. Diese Menge ist so gering, dass Nie schätzte, dass sie in einen einzigen Regentropfen passen könnte.
Die Forscher versuchten, in diesen Proben zwei Elemente zu isolieren: Kalium und Rubidium. Beide Elemente sind „flüchtig“, was bedeutet, dass sie durch Meteoriteneinschläge und durch Sonnenwindbeschuss verursachte Sonnenspritzer leicht verdampfen.
Das Team wollte die Verhältnisse verschiedener „Isotope“ von Kalium und Rubidium beobachten. Ein Isotop ist eine Variation eines Elements, das in seinem Atomkern eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen aufweist. Das bedeutet, dass Isotope mit mehr Neutronen (die Anzahl der Protonen kann sich beim Elementwechsel nicht ändern) schwerer sind als solche mit weniger.
Das Team sagte voraus, dass leichte Isotope von Kalium und Rubidium eher in der Exosphäre des Mondes schweben würden, während schwerere Isotope auf die Mondoberfläche zurückfallen. Es wird jedoch erwartet, dass Aufprallverdampfung und Ionensputtern eine unterschiedliche Wirksamkeit bei der Projektion von Isotopen in die Mondatmosphäre haben. Das bedeutet, dass die Untersuchung der Menge an schweren Isotopen dieser beiden Elemente im Mondboden und der Vergleich mit der Menge an leichteren Isotopen in den Proben Aufschluss darüber geben sollte, welcher dieser beiden Prozesse dominanter ist.
„Bei der Aufprallverdampfung würden die meisten Atome in der Mondatmosphäre verbleiben, während beim Ionensputtern viele Atome in den Weltraum geschleudert würden“, sagte Nie.
Nie und seine Kollegen fanden heraus, dass die Böden hauptsächlich schwere Isotope von Kalium und Rubidium enthielten. Dadurch konnten sie verstehen, dass die Aufprallverdampfung der vorherrschende Prozess war, bei dem Atome verdampft und angehoben werden, um die Atmosphäre des Mondes zu bilden. Sie fanden heraus, dass 70 % der Exosphäre durch Meteoriteneinschläge und Aufprallverdampfung erzeugt wurden, wobei 30 % auf Sonnenwinde und Ionensputtern zurückzuführen waren.
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„Die Entdeckung eines solch subtilen Effekts ist bemerkenswert, dank der innovativen Idee, Isotopenmessungen von Kalium und Rubidium mit sorgfältiger quantitativer Modellierung zu kombinieren“, sagte Justin Hu, Mondbodenforscher an der Universität Cambridge, die nicht beteiligt war in der Studie. „Diese Entdeckung geht über das Verständnis der Geschichte des Mondes hinaus, denn solche Prozesse könnten auf anderen Monden und Asteroiden auftreten und eine größere Bedeutung haben, die im Mittelpunkt vieler geplanter Rückführungsmissionen stehen.“ »
Nie räumt auch ein, dass die Schlussfolgerungen des Teams ohne das Apollo-Programm, das im Dezember 1972 mit Apollo 17 endete, einfach nicht umsetzbar gewesen wären.
„Ohne diese Apollo-Proben wären wir nicht in der Lage, genaue Daten zu erhalten oder quantitative Messungen durchzuführen, um die Dinge detaillierter zu verstehen“, schlussfolgerte Nie. „Für uns ist es wichtig, Proben vom Mond und anderen Planetenkörpern mitzubringen, damit wir ein klareres Bild der Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems zeichnen können. »
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Freitag (2. August) in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.