Wissenschaftler finden die Ursprünge der dünnen Atmosphäre des Mondes

2. August 2024

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von Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology

Obwohl der Mond keine atmungsaktive Luft hat, beherbergt er eine kaum wahrnehmbare Atmosphäre. Seit den 1980er Jahren haben Astronomen eine sehr dünne Schicht von Atomen beobachtet, die über der Oberfläche des Mondes springen. Diese zarte Atmosphäre, technisch als 'Exosphäre' bekannt, ist wahrscheinlich das Ergebnis einer Art von Weltraumverwitterung. Genau welche Prozesse das sein könnten, ist jedoch schwierig mit Sicherheit festzustellen.

Jetzt sagen Wissenschaftler des MIT und der University of Chicago, dass sie den Hauptprozess identifiziert haben, der die Atmosphäre des Mondes gebildet hat und heute aufrechterhält. In einer Studie, die in Science Advances veröffentlicht wurde, berichtet das Team, dass die lunare Atmosphäre hauptsächlich ein Produkt von 'Aufprallverdampfung' ist.

In ihrer Studie analysierten die Forscher Proben von lunarem Boden, die von Astronauten während der Apollo-Missionen der NASA gesammelt wurden.

Ihre Analyse legt nahe, dass die Oberfläche des Mondes über seine 4,5 Milliarden Jahre Geschichte kontinuierlich bombardiert wurde, zuerst von massiven Meteoriten und dann, in jüngerer Zeit, von kleineren, staubgroßen 'Mikrometeoriten'.

Diese ständigen Einschläge haben den lunaren Boden aufgewirbelt, bestimmte Atome bei Berührung verdampft und die Partikel in die Luft gehoben. Einige Atome werden ins All geschleudert, während andere über dem Mond schweben und eine zarte Atmosphäre bilden, die ständig wieder aufgefüllt wird, da Meteoriten weiter auf die Oberfläche prallen.

Die Forscher fanden heraus, dass die Aufprallverdampfung der Hauptprozess ist, durch den der Mond über Milliarden von Jahren hinweg seine extrem dünne Atmosphäre erzeugt und aufrechterhalten hat.

'Wir geben eine definitive Antwort, dass die Verdampfung durch Meteoriteneinschläge der dominante Prozess ist, der die lunare Atmosphäre erzeugt,' sagt die leitende Autorin der Studie, Nicole Nie, Assistenzprofessorin am Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences des MIT.

'Der Mond ist knapp 4,5 Milliarden Jahre alt, und im Laufe dieser Zeit wurde die Oberfläche kontinuierlich von Meteoriten bombardiert. Wir zeigen, dass letztendlich eine dünne Atmosphäre einen stabilen Zustand erreicht, weil sie kontinuierlich durch kleine Einschläge über den ganzen Mond hinweg wieder aufgefüllt wird.'

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

Im Jahr 2013 schickte die NASA eine Raumsonde um den Mond, um eine detaillierte atmosphärische Erkundung durchzuführen. Der Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, ausgesprochen 'laddie') wurde beauftragt, Informationen über die dünne Atmosphäre des Mondes, die Bodenbedingungen und jeglichen Einfluss der Umwelt auf den lunaren Staub ferngesteuert zu sammeln.

Die Mission von LADEE war darauf ausgelegt, die Ursprünge der Atmosphäre des Mondes zu bestimmen. Die Wissenschaftler hofften, dass die ferngesteuerten Messungen der Bodenzusammensetzung und der atmosphärischen Zusammensetzung des Mondes durch die Sonde mit bestimmten Weltraumverwitterungsprozessen korrelieren könnten, die dann erklären könnten, wie die Atmosphäre des Mondes entstanden ist.

Die Forscher vermuten, dass zwei Weltraumverwitterungsprozesse eine Rolle bei der Gestaltung der lunaren Atmosphäre spielen: Aufprallverdampfung und 'Ionen-Sputtern' – ein Phänomen, das den Sonnenwind beinhaltet, der energetische geladene Teilchen von der Sonne durch den Weltraum trägt. Wenn diese Teilchen auf die Oberfläche des Mondes treffen, können sie ihre Energie auf die Atome im Boden übertragen und diese Atome zum Sprühen und Fliegen in die Luft bringen.

'Basierend auf den Daten von LADEE schien es, dass beide Prozesse eine Rolle spielen,' sagt Nie.

'Zum Beispiel zeigte es, dass während Meteoritenschauern mehr Atome in der Atmosphäre zu sehen sind, was bedeutet, dass Einschläge eine Auswirkung haben. Aber es zeigte auch, dass wenn der Mond vor der Sonne geschützt ist, wie während einer Sonnenfinsternis, es auch Veränderungen in den Atomen der Atmosphäre gibt, was bedeutet, dass auch die Sonne eine Auswirkung hat. Die Ergebnisse waren also nicht klar oder quantitativ.'

Um die Ursprünge der lunaren Atmosphäre genauer herauszufinden, wandte sich Nie den Proben von lunarem Boden zu, die von Astronauten im Laufe der NASA Apollo-Missionen gesammelt wurden. Sie und ihre Kollegen an der University of Chicago erwarben 10 Proben von lunarem Boden, die jeweils etwa 100 Milligramm maßen - eine winzige Menge, die, wie sie schätzt, 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 Einschläge und Ionen-Sputtern leicht verdampft werden.