Wissenschaftler finden den Ursprung der dünnen Atmosphäre des Mondes

Obwohl es auf dem Mond keine atembare Luft gibt, besitzt er eine kaum wahrnehmbare Atmosphäre. Seit den 1980er Jahren beobachten Astronomen eine sehr dünne Schicht von Atomen, die über die Mondoberfläche hüpfen. Diese empfindliche Atmosphäre – technisch als „Exosphäre“ bekannt – ist wahrscheinlich das Produkt einer Art Weltraumverwitterung. Doch um welche Prozesse es sich dabei genau handelt, lässt sich bisher nur schwer mit Sicherheit sagen.

Nun sagen Wissenschaftler des MIT und der Universität Chicago, sie hätten den Hauptprozess identifiziert, der die Atmosphäre des Mondes gebildet hat und sie bis heute aufrechterhält. In einer Studie, die in Wissenschaftliche FortschritteDie Teamberichte dass die Mondatmosphäre in erster Linie ein Produkt der „Einschlagverdampfung“ ist.

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

Ihre Analyse legt nahe, dass die Oberfläche des Mondes im Laufe seiner 4,5 Milliarden Jahre währenden Geschichte kontinuierlich bombardiert wurde, zunächst von massiven Meteoriten und in jüngerer Zeit von kleineren, staubgroßen „Mikrometeoroiden“.

Diese ständigen Einschläge haben den Mondboden aufgewirbelt, bestimmte Atome bei Kontakt verdampft und die Partikel in die Luft geschleudert. Einige Atome werden in den Weltraum geschleudert, während andere über dem Mond schweben und eine dünne Atmosphäre bilden, die ständig erneuert wird, da weiterhin Meteoriten auf die Oberfläche einschlagen.

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

„Wir geben eine definitive Antwort, dass die Verdampfung durch Meteoriteneinschläge der dominierende Prozess ist, der die Mondatmosphäre erzeugt“, sagt die Hauptautorin der Studie, Nicole Nie, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften des MIT.

„Der Mond ist fast 4,5 Milliarden Jahre alt und seit dieser Zeit wurde seine Oberfläche kontinuierlich von Meteoriten bombardiert. Wir zeigen, dass eine dünne Atmosphäre schließlich einen stabilen Zustand erreicht, da sie durch kleine Einschläge überall auf dem Mond kontinuierlich erneuert wird.“

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

Weatherings Rollen

Im Jahr 2013 schickte die NASA einen Orbiter um den Mond, um eine detaillierte atmosphärische Erkundung durchzuführen. Der Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE, ausgesprochen „laddie“) wurde damit beauftragt, aus der Ferne Informationen über die dünne Atmosphäre des Mondes, die Oberflächenbedingungen und etwaige Umwelteinflüsse auf den Mondstaub zu sammeln.

Ziel der LADEE-Mission war es, die Ursprünge der Mondatmosphäre zu erforschen. Die Wissenschaftler hofften, dass die Fernmessungen der Sonde zur Zusammensetzung von Boden und Atmosphäre mit bestimmten Verwitterungsprozessen im Weltraum korrelieren könnten, was wiederum Aufschluss über die Entstehung der Mondatmosphäre geben könnte.

Forscher vermuten, dass zwei Weltraumverwitterungsprozesse bei der Gestaltung der Mondatmosphäre eine Rolle spielen: Aufprallverdampfung und „Ionensputtern“ – ein Phänomen, das mit dem Sonnenwind zusammenhängt, der energiereiche geladene Teilchen von der Sonne durch den Weltraum transportiert. Wenn diese Teilchen auf die Mondoberfläche treffen, können sie ihre Energie auf die Atome im Boden übertragen und diese Atome zum Sprudeln bringen und in die Luft schleudern.

„Basierend auf den Daten von LADEE scheinen beide Prozesse eine Rolle zu spielen“, sagt Nie.

„Es zeigte sich beispielsweise, dass bei Meteoritenschauern mehr Atome in der Atmosphäre zu sehen sind, was bedeutet, dass Einschläge einen Effekt haben. Es zeigte sich aber auch, dass es, wenn der Mond von der Sonne abgeschirmt ist, wie etwa während einer Sonnenfinsternis, ebenfalls zu Veränderungen in den Atomen der Atmosphäre kommt, was bedeutet, dass die Sonne ebenfalls einen Einfluss hat. Die Ergebnisse waren also 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 an der Universität von Chicago sammelten zehn Mondbodenproben, von denen jede etwa 100 Milligramm wog – eine winzige Menge, die ihrer Schätzung 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 Ionenzerstäubung leicht verdampft werden.

Jedes Element kommt in Form mehrerer Isotope vor. Ein Isotop ist eine Variante desselben Elements, die aus der gleichen Anzahl Protonen, aber einer leicht unterschiedlichen Anzahl Neutronen besteht. Kalium kann beispielsweise als eines von drei Isotopen vorkommen, von denen jedes ein Neutron mehr hat und etwas schwerer ist als das letzte. Ebenso gibt es zwei Isotope von Rubidium.

Das Team schlussfolgerte, dass, wenn die Atmosphäre des Mondes aus verdampften und in der Luft schwebenden Atomen besteht, leichtere Isotope dieser Atome leichter aufsteigen sollten, während schwerere Isotope sich eher wieder im Boden absetzen würden.

Darüber hinaus sagen Wissenschaftler voraus, dass Aufprallverdampfung und Ionensputtern zu sehr unterschiedlichen Isotopenverhältnissen im Boden führen sollten. Das spezifische Verhältnis von leichten zu schweren Isotopen, die sowohl für Kalium als auch für Rubidium im Boden verbleiben, sollte dann den Hauptprozess offenbaren, der zur Entstehung der Mondatmosphäre beiträgt.

Vor diesem Hintergrund analysierte Nie die Apollo-Proben, indem sie die Erde zunächst zu feinem Pulver zerkleinerte und das Pulver dann in Säuren auflöste, um Lösungen zu reinigen und zu isolieren, die Kalium und Rubidium enthielten. Anschließend ließ sie diese Lösungen durch ein Massenspektrometer laufen, um die verschiedenen Isotope von Kalium und Rubidium 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 beider Elemente fanden sie heraus, dass die Aufprallverdampfung höchstwahrscheinlich der vorherrschende Prozess war, bei dem Atome verdampft und in die Luft gehoben werden, um die Atmosphäre des Mondes zu bilden.

„Bei der Aufprallverdampfung würden die meisten Atome in der Mondatmosphäre verbleiben, während bei der Ionenzerstäubung viele Atome in den Weltraum geschleudert würden“, sagt Nie.

„Aufgrund unserer Studie können wir nun die Rolle beider Prozesse quantifizieren und sagen, dass der relative Beitrag der Aufprallverdampfung gegenüber der Ionenzerstäubung etwa 70:30 oder mehr beträgt.“ Mit anderen Worten: 70 Prozent oder mehr der Mondatmosphäre sind ein Produkt von Meteoriteneinschlägen, während die restlichen 30 Prozent eine Folge des Sonnenwindes sind.

„Die Entdeckung eines so subtilen Effekts ist bemerkenswert, und zwar dank der innovativen Idee, Messungen von Kalium- und Rubidiumisotopen mit sorgfältiger, quantitativer Modellierung zu kombinieren“, sagt Justin Hu, ein Postdoc, der an der Universität Cambridge Mondböden erforscht und 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 auftreten und bedeutender sein könnten, die im Fokus vieler geplanter Rückkehrmissionen stehen.“

„Ohne diese Apollo-Proben wären wir nicht in der Lage, präzise Daten zu erhalten und quantitative Messungen durchzuführen, um die Dinge genauer zu verstehen“, sagt Nie. „Es ist wichtig für uns, Proben vom Mond und anderen Planetenkörpern mitzubringen, damit wir klarere Bilder von der Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems zeichnen können.“

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Site mit Neuigkeiten zu Forschung, Innovation und Lehre am MIT.