Fluktuierende Mond-Exosphäre

Als die Crew von Apollo 17 kurz vor Sonnen­aufgang ihren Blick über die Mond­ober­fläche schweifen ließ, bot sich ihnen ein unerwarteter Anblick: Sie erspähten ein leichtes Glimmen hoch über dem Boden, das auf eine dünne Atmo­sphäre hindeutete. Der Mond ist zwar zu klein, um mit seiner geringen Schwer­kraft eine wirkliche Atmo­sphäre an sich zu binden. Doch besitzt er eine extrem dünne Exosphäre, wie sie die Erde etwa oberhalb der Flugbahn der Inter­nationalen Raum­station aufweist. Um dieses extrem dünne Gasgemisch zu unter­suchen, haben die japanische Raum­sonde Kaguya und der US-amerikanische Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer LADEE die Mond-Exosphäre in den letzten Jahren spektro­skopisch untersucht.

Bei einem Druck von wenigen 10-10 Pascal besteht die Mond-Exosphäre zu ähnlichen Teilen aus Helium, Neon, Wasser­stoff und Argon. In Spuren sind auch Methan, Ammoniak und Kohlen­dioxid vorhanden, sowie Natrium und Kalium. Die letzten beiden Elemente machen zwar nur einen geringen Anteil aus, lassen sich wegen ihrer hellen Linien­emission aber besonders gut beobachten. Im Laufe eines Mond­tages zeigt die Häufig­keit dieser Elemente eine deutliche Fluktuation. Ein Team von Nasa-Wissen­schaftlern ist nun mit Hilfe von LADEE-Daten dem Ursprung dieses periodischen Verhaltens auf den Grund gegangen.

So ist schon seit längerem bekannt, dass Sonnen­wind und Sonnen­strahlung Elemente aus der Mond­ober­fläche lösen und in die Exosphäre befördern können, bevor sie sich wieder auf dem Boden absetzen. Den mit Abstand stärksten Effekt bewirkt die Sonnen­strahlung per photo­induzierter Desorption. Hoch­energetische Elektronen aus dem Sonnen­wind können zudem per Sputtering Natrium oder Kalium freisetzen. Die Rolle dieser beiden Prozesse konnten die Forscher bestimmen, wenn der Mond sich in den Magnet­schatten der Erde bewegte und dadurch vor dem Sonnen­wind abgeschirmt war. Dabei sank zunächst der Anteil dieser Elemente, da sie sich auf der Mond­ober­fläche ablagerten. Nach Heraus­treten aus dem Erd­schatten nahmen die Natrium- und Kalium-Konzentrationen wieder zu.

Unklar blieb dabei aber zunächst, welche Rolle Meteor­ströme für die Natrium- und Kalium­konzentrationen in der Mond-Exosphäre spielen. Über die Lebens­dauer von LADEE ist der Mond durch die Geminiden, Leoniden und Quadrantiden geflogen. Dabei stieg jeweils vor allem die Kalium-Konzentration kurz­fristig deutlich an. Ein ähnliches Verhalten ist auch vom Merkur bekannt. Die gemessene Dynamik spricht nach Ansicht der Forscher gegen Modelle, denen zufolge inter­planetarische Teilchen von der Mond­ober­fläche größten­teils wieder abprallen. Statt­dessen verdampfen sie durch den Aufprall und lagern ihr Material in der Umgebung ab. Trifft starke Sonnen­strahlung darauf, wird es zum Teil wieder in die Exosphäre frei­gesetzt.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Colaprete et al.: How surface composition and meteoroid impacts mediate sodium and potassium in the lunar exosphere, Science, online 17. Dezember 2015; DOI: 10.1126/science.aad2380
• Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE)

RK