Wissenschaftler identifizieren die Ursprünge der dünnen Atmosphäre des Mondes

Obwohl der Mond keine atembare Luft enthält, gibt es auf ihm fast keine Atmosphäre. Seit den 1980er Jahren beobachten Astronomen eine sehr dünne Schicht aus Atomen, die über die Mondoberfläche springen. Diese empfindliche Atmosphäre, technisch als „Exosphäre“ bekannt, ist wahrscheinlich das Produkt einer Art räumlicher Veränderung. Es ist jedoch schwierig, mit Sicherheit zu bestimmen, worum es bei diesem Prozess genau geht.

Wissenschaftler des MIT und der University of Chicago sagen, sie hätten den Hauptprozess identifiziert, der die Mondatmosphäre gebildet hat und sie auch heute noch aufrechterhält. In einer Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche FortschritteDas Team berichtet, dass die Mondatmosphäre hauptsächlich das Produkt der „Aufprallverdampfung“ ist.

In ihrer Studie analysierten die Forscher Mondbodenproben, die Astronauten während der Apollo-Missionen der NASA gesammelt hatten.

Ihre Analyse legt nahe, dass die Oberfläche des Mondes im Laufe seiner 4,5 Milliarden Jahre alten Geschichte kontinuierlich bombardiert wurde, zuerst von massiven Meteoriten, dann in jüngerer Zeit von kleineren „Mikrometeoroiden“ von der Größe von Staub.

Diese ständigen Stöße hoben den Mondboden an, wodurch einige Atome bei Kontakt verdampften und die Partikel in die Luft schleuderten. Einige Atome werden in den Weltraum geschleudert, während andere über dem Mond schweben und eine dünne Atmosphäre bilden, die sich ständig erneuert, wenn weiterhin Meteoriten auf die Oberfläche einschlagen.

Forscher haben herausgefunden, dass die Impaktverdampfung der primäre Prozess ist, durch den der Mond seine extrem dünne Atmosphäre erzeugte und über Milliarden von Jahren aufrechterhielt.

„Wir geben eine endgültige Antwort: Die Verdampfung durch Meteoriteneinschläge ist der dominierende Prozess, der die Mondatmosphäre erzeugt“, erklärt die Hauptautorin der Studie, Nicole Nie, Assistenzprofessorin am Department of Earth Sciences der Abteilung „Atmosphere and Planets“ des MIT.

„Der Mond ist fast 4,5 Milliarden Jahre alt und seitdem wurde seine Oberfläche kontinuierlich mit Meteoriten bombardiert. Wir zeigen, dass eine dünne Atmosphäre im Laufe der Zeit einen stabilen Zustand erreicht, weil sie durch kleine Einschläge auf dem gesamten Mond kontinuierlich erneuert wird. »

Nies Co-Autoren sind Nicolas Dauphas, Zhe Zhang und Timo Hopp von der University of Chicago sowie Menelaos Sarantos vom Goddard Space Flight Center der NASA.

Die Rollen von Weathering

Im Jahr 2013 schickte die NASA einen Orbiter um den Mond, um eine detaillierte Atmosphärenaufklärung durchzuführen. Der Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, ausgesprochen „laddie“) hatte die Aufgabe, aus der Ferne Informationen über die dünne Mondatmosphäre, die Oberflächenbedingungen und etwaige Umwelteinflüsse auf den Mondstaub zu sammeln.

Ziel der LADEE-Mission war es, den Ursprung der Mondatmosphäre zu bestimmen. Die Wissenschaftler hofften, dass die Fernmessungen der Boden- und Atmosphärenzusammensetzung der Sonde mit bestimmten räumlichen Verwitterungsprozessen korrelieren könnten, die dann die Entstehung der Mondatmosphäre erklären könnten.

Forscher vermuten, dass zwei Weltraumerosionsprozesse eine Rolle bei der Gestaltung der Mondatmosphäre spielen: Aufprallverdampfung und „Ionensputtern“, ein Phänomen, an dem der Sonnenwind beteiligt ist, der energiereich geladene Teilchen von der Sonne durch den Weltraum trägt. Wenn diese Teilchen auf die Mondoberfläche treffen, können sie ihre Energie auf Atome auf der Erde übertragen und diese Atome durch die Luft spritzen und fliegen lassen.

„Basierend auf den LADEE-Daten scheint es, dass beide Prozesse eine Rolle spielen“, sagt Nie.

„Die Ergebnisse zeigten beispielsweise, dass bei Meteoritenschauern mehr Atome in der Atmosphäre beobachtet werden, was bedeutet, dass die Einschläge Wirkung zeigen. Sie zeigten aber 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. »

Antworten im Boden

Um den Ursprung der Mondatmosphäre genauer zu bestimmen, untersuchte Nie Mondbodenproben, die Astronauten während der Apollo-Missionen der NASA gesammelt hatten. Sie und ihre Kollegen von der University of Chicago sammelten zehn Proben Mondboden, von denen jede etwa 100 Milligramm wog, eine winzige Menge, die ihrer Meinung nach in einen einzigen Regentropfen passen würde.

Nie versuchte zunächst, aus jeder Probe zwei Elemente zu isolieren: Kalium und Rubidium. Beide Elemente sind „flüchtig“, was bedeutet, dass sie durch Stöße und Ionenspray leicht verdampfen.

Jedes Element liegt in Form mehrerer Isotope vor. Ein Isotop ist eine Variation desselben Elements, die die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine leicht unterschiedliche Anzahl an Neutronen enthält. Kalium kann beispielsweise in Form von drei Isotopen vorliegen, von denen jedes ein Neutron mehr enthält und etwas schwerer ist als das letzte. Ebenso gibt es zwei Isotope von Rubidium.

Das Team kam zu dem Schluss, dass, wenn die Atmosphäre des Mondes aus verdampften und in der Luft schwebenden Atomen besteht, die leichteren Isotope dieser Atome leichter angehoben werden sollten, während die schwereren Isotope eher im Boden abgelagert würden.

Darüber hinaus gehen Wissenschaftler davon aus, dass das Aufprallsprühen und das Ionensprühen zu sehr unterschiedlichen Isotopenverhältnissen im Boden führen werden. Das spezifische Verhältnis der im Boden verbliebenen leichten und schweren Isotope, sowohl für Kalium als auch für Rubidium, sollte dann den Hauptprozess aufdecken, der zur Entstehung der Mondatmosphäre beiträgt.

Vor diesem Hintergrund analysierte Nie die Apollo-Proben, indem er zunächst die Sole zu einem feinen Pulver mahlte und die Pulver dann in Säuren auflöste, um Lösungen, die Kalium und Rubidium enthielten, zu reinigen und zu isolieren. Anschließend ließ sie diese Lösungen durch ein Massenspektrometer laufen, um die verschiedenen Kalium- und Rubidiumisotope in jeder Probe zu messen.

Das Team stellte fest, dass die Böden hauptsächlich schwere Isotope von Kalium und Rubidium enthielten. Die Forscher konnten das Verhältnis von schweren zu leichten Isotopen von Kalium und Rubidium quantifizieren und durch den Vergleich der beiden Elemente feststellen, dass die Aufprallverdampfung höchstwahrscheinlich der dominierende Prozess ist, bei dem Atome verdampft und angehoben werden, um die Atmosphäre des Mondes zu bilden.

„Bei der Stoßverdampfung würden die meisten Atome in der Mondatmosphäre verbleiben, während beim Ionensputtern viele Atome in den Weltraum geschleudert würden“, erklärt Nie.

„Durch unsere Studie können wir nun die Rolle beider Prozesse quantifizieren und sagen, dass der relative Beitrag von Aufprallspray gegenüber Ionenspray etwa 70:30 oder mehr beträgt. » Mit anderen Worten: 70 % oder mehr der Mondatmosphäre sind das Produkt von Meteoriteneinschlägen, während die restlichen 30 % eine Folge des Sonnenwinds sind.

„Die Entdeckung eines so subtilen Effekts ist bemerkenswert, dank der innovativen Idee, Isotopenmessungen von Kalium und Rubidium mit sorgfältiger quantitativer Modellierung zu kombinieren“, sagt Justin Hu, ein Postdoktorand, der Mondböden an der Universität Cambridge untersucht. die nicht an der Studie teilgenommen haben.

„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.“ »

„Ohne diese Apollo-Proben wären wir nicht in der Lage, genaue Daten zu erhalten oder quantitative Messungen durchzuführen, um die Dinge detaillierter zu verstehen“, sagt Nie. „Für uns ist es wichtig, Proben vom Mond und anderen Planetenkörpern mitzubringen, damit wir ein genaueres Bild der Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems erstellen können. »

Dieser Artikel wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/) erneut veröffentlicht, einer beliebten Website, die über Neuigkeiten in den Bereichen Forschung, Innovation und Bildung am MIT berichtet.