Von Will Dunham
WASHINGTON (Reuters) – NASA-Astronauten, die in den 1960er und 1970er Jahren als erste den Mond betraten, entdeckten auch ein bisher unbekanntes Mondmerkmal: Er hat eine Atmosphäre, wenn auch eine sehr dünne. Die von ihnen geborgenen Bodenproben enthüllen nun den wichtigsten physikalischen Prozess hinter dieser Atmosphäre.
Durch die Analyse, welche Formen zweier Elemente – Kalium und Rubidium – in neun winzigen Bodenproben von fünf Apollo-Missionen vorhanden waren, stellten die Forscher fest, dass die Mondatmosphäre hauptsächlich durch die Auswirkungen großer und kleiner Meteoriten, die auf die Mondoberfläche einschlugen, geschaffen wurde und aufrechterhalten wird der Mond.
„Meteoriteneinschläge erzeugen hohe Temperaturen zwischen 2.000 und 6.000 Grad Celsius (3.600 bis 10.800 Grad Fahrenheit). „Diese extremen Temperaturen schmelzen und verdampfen Gesteine auf der Mondoberfläche, auf die gleiche Weise, wie Hitze Wasser verdampft und Atome in die Atmosphäre freisetzt“, sagte Nicole Nie, Planetenforscherin und Kosmochemikerin des Massachusetts Institute of Technology, Leiterin der am Freitag veröffentlichten Studie Zeitschrift Science Advances.
Die Mondatmosphäre ist extrem dünn und wird technisch als Exosphäre klassifiziert, was bedeutet, dass Atome im Gegensatz zur dicken und stabilen Atmosphäre der Erde nicht miteinander kollidieren, da ihre Anzahl sehr gering ist.
„Die Apollo-Missionen brachten Instrumente zur Mondoberfläche, die Atome in der Luft entdeckten“, sagte Nie.
Im Jahr 2013 schickte die NASA die Roboter-Raumsonde LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) in die Umlaufbahn um den Mond, um dessen Atmosphäre und Oberflächenumgebung zu untersuchen. Er identifizierte zwei Prozesse, die als räumliche Verwitterung bekannt sind: Meteoriteneinschläge und ein Phänomen namens Sonnenwindböen.
„Sonnenwinde tragen hochenergetische geladene Teilchen, hauptsächlich Protonen, durch den Weltraum. Wenn diese Teilchen auf den Mond treffen, übertragen sie ihre Energie auf Atome auf der Mondoberfläche, wodurch sie von der Oberfläche geschleudert werden“, erklärte Nie.
Unter Sonnenwind versteht man den ständigen Strom geladener Teilchen von der Sonne, der das Sonnensystem durchdringt.
LADEE hat die relativen Beiträge dieser beiden Prozesse zur Mondatmosphäre nicht bestimmt. Die neue Studie zeigte, dass Stöße mehr als 70 % seiner Zusammensetzung ausmachen, während Sonnenwindböen weniger als 30 % ausmachen.
Der Mond wurde ständig von Meteoriten bombardiert: Zu Beginn seiner Geschichte haben große Meteoriten die auf der Mondoberfläche sichtbaren klaffenden Krater geformt, und in jüngerer Zeit auch kleinere, darunter staubgroße Mikrometeoriten. Einige der durch diese Einschläge entstehenden Atome fliegen in den Weltraum. Der Rest bleibt in einer regelmäßig erneuerten Atmosphäre über der Oberfläche schweben, wenn weitere Meteoriten einschlagen.
Die Mondatmosphäre enthält hauptsächlich Argon, Helium und Neon sowie Kalium und Rubidium und möglicherweise andere Elemente in geringeren Mengen. Es erstreckt sich von der Mondoberfläche bis zu einer Höhe von etwa 100 km. Die Erdatmosphäre erstreckt sich über etwa 10.000 km.
Anstatt die in der Mondatmosphäre vorhandenen Atome zu untersuchen, verwendeten die Forscher als Ersatz Mondboden, den sogenannten Regolith. Sie verwendeten ein Instrument namens Massenspektrometer, um das Verhältnis verschiedener Kalium- und Rubidiumisotope im Boden zu untersuchen. Isotope sind Atome desselben Elements, die aufgrund der unterschiedlichen Anzahl subatomarer Teilchen, sogenannter Neutronen, leicht unterschiedliche Massen haben.
„Dies ist möglich, weil der Mondoberflächenboden seit der Entstehung des Mondes mit der Exosphäre interagiert und die verschiedenen Prozesse deutliche Spuren in der Isotopenzusammensetzung des Mondbodens hinterlassen“, sagte der Planetenforscher und Mitautor des Timo Hopp-Studie vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Deutschland.
Es gibt drei Isotope von Kalium und zwei Isotope von Rubidium.
Nach jahrzehntelanger Erforschung des Mondes erfahren Wissenschaftler immer mehr über einige seiner grundlegenden Prozesse.
„Viele wichtige Fragen zur Mondatmosphäre bleiben unbeantwortet. Dank des technologischen Fortschritts sind wir nun in der Lage, einige davon anzugehen“, sagte Nie. „Als die Apollo-Proben in den 1970er Jahren vom Mond zurückgebracht wurden, wurden die Isotopenzusammensetzungen von Kalium und Rubidium in Mondböden mithilfe von Massenspektrometern gemessen. Zu diesem Zeitpunkt waren jedoch keine Isotopenunterschiede beobachtet worden. Aktuelle Massenspektrometer bieten eine viel höhere Präzision. »
(Berichterstattung von Will Dunham, Redaktion von Daniel Wallis)