Eine aktuelle Studie zeigt, dass Partikel aus der Erdatmosphäre durch den Sonnenwind in den Weltraum transportiert werden und seit Milliarden von Jahren auf der Mondoberfläche „niedergehen“. Diese Partikel vermischen sich mit dem lunaren Boden.

Die Forschung bringt neue Erkenntnisse zu einem Rätsel, das seit mehr als fünfzig Jahren besteht. Bereits die Apollo-Missionen hatten Mondproben zurückgebracht, die Spuren von Substanzen wie Wasser, Kohlendioxid, Helium und Stickstoff enthielten, die im Regolith, der staubigen Oberflächenschicht des Mondes, eingelagert sind.

Anfängliche Studien vermuteten, dass die Sonne die Quelle einiger dieser Substanzen sei. Im Jahr 2005 schlugen jedoch Forscher der Universität Tokio vor, dass diese Verbindungen auch aus der jungen Erdatmosphäre stammen könnten, bevor sie ein Magnetfeld vor etwa 3,7 Milliarden Jahren entwickelte. Die Autoren nahmen an, dass das Magnetfeld nach seiner Etablierung den Fluss dieser Partikel eindämmte, indem es sie einfing und ihren Ausstoß ins All verhinderte.

Die neue Untersuchung stellt diese Annahme jedoch in Frage. Sie legt nahe, dass das Magnetfeld der Erde möglicherweise den Transfer von Atmosphärenpartikeln zum Mond unterstützt haben könnte, ein Prozess, der bis heute andauert.

Eric Blackman, Mitautor der Studie und Professor am Institut für Physik und Astronomie der Universität Rochester in New York, erklärte: „Das bedeutet, dass die Erde über lange Zeiträume flüchtige Gase wie Sauerstoff und Stickstoff zum Mondboden geliefert hat.“

Er fügte hinzu: „Es wurde lange angenommen, dass der Mond ursprünglich aus dem Aufprall eines Asteroiden auf die Proto-Erde entstanden ist, was zu einer umfassenden Vermischung dieser flüchtigen Substanzen zwischen der Erde und dem Mond führte. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dieser Austausch von volatilen Elementen über Milliarden von Jahren hinweg weitergeht.“

Interesse für die Mondforschung

Das Vorhandensein nützlicher Elemente wie Sauerstoff und Wasserstoff auf der Mondoberfläche könnte für die Mondexploration von Bedeutung sein. Blackman äußerte sich dazu: „Die Mondmissionen und mögliche zukünftige Mondkolonien müssen voraussichtlich auf autarke Ressourcen setzen, die nicht von der Erde transportiert werden müssen.“

„Beispielsweise wurde untersucht, wie Wasser aus dem Mondregolith verarbeitet und Wasserstoff sowie Sauerstoff zur Herstellung von Treibstoff extrahiert werden können. Ebenso gibt es Studien zu ammoniakbasierten Treibstoffen, die den Stickstoff nutzen, der durch den Sonnenwind zum Mond transportiert wurde. Auf diese Weise wird das Material, das vom Sonnenwind transportiert wird, Teil der lokalen Ressourcen, die von solchen Innovationen genutzt werden könnten.“

Ein wertvoller chemischer Datensatz

Im Rahmen der neuen Studie verwendeten die Forscher Computersimulationen und testeten zwei Szenarien. Das eine betrachtete einen starken Sonnenwind – einen Hochgeschwindigkeitsstrom von Partikeln aus der Sonne – und das Fehlen eines Magnetfeldes um die Erde. Das andere Szenario hatte einen schwächeren Sonnenwind und ein starkes Magnetfeld um die Erde. Diese Szenarien entsprechen grob einem antiken und einem modernen Zustand unseres Planeten. Das moderne Szenario erwies sich als das effektivste zur Übertragung erdlicher Atmosphärenfragmente auf den Mond.

Die Forscher verglichen die Ergebnisse mit Daten, die direkt aus Analyse früherer Mondbodestudien erhoben wurden. Shubhonkar Paramanick, Doktorand am Institut für Physik und Astronomie der Universität Rochester und Hauptautor der Studie, erklärte: „Wir haben Mondproben verwendet, die durch die Apollo-14- und Apollo-17-Missionen zurückgebracht wurden, um unsere Ergebnisse zu validieren.“

Das Magnetfeld der Erde wird durch elektrische Ströme erzeugt, die durch die Bewegung von geschmolzenem Eisen und Nickel im äußeren flüssigen Kern des Planeten entstehen. Es erstreckt sich weit in den Weltraum und bildet einen Schild, der einen Großteil des Sonnenwinds ablenkt, der sonst die Atmosphäre erodieren würde.

Wenn das Magnetfeld mit dem Sonnenwind interagiert, entsteht die Magnetosphäre, eine Struktur, die einem Kometen ähnelt, mit einer komprimierten Vorderseite und einem langen Schweif. Wenn die Partikel des Sonnenwinds entlang der Linien der Magnetosphäre in der Nähe der Pole geleitet werden, entstehen die Polarlichter.

Die Form der Magnetosphäre erklärt, warum der Sonnenwind einige Partikel aus der Erdatmosphäre abreißen und sie ins All lenken kann. Sie ermöglicht auch, dass ein größerer Teil der Erdatmosphäre zum Mond transportiert wird, als dies im Modell einer unmagnetisierten oder primären Erde der Fall wäre, so Blackman.

Wichtige historischen Zusammenhänge

Blackman fügte hinzu: „Das Magnetfeld ist nicht rein schützend aus zwei Gründen: Es übt einen Druck aus, der die Erdatmosphäre teilweise aufbläht und dem Sonnenwind damit einen besseren Zugang zur Atmosphäre verschafft. Außerdem durchquert der Mond während seiner Vollmondphase eine Region, die als ‚magnetischer Schweif‘ bezeichnet wird, wo das Magnetfeld einen Kanal öffnet, der es atmosphärischem Material ermöglicht, auf direktem Weg zum Mond zu gelangen.“

Der Mond bewegt sich mehrere Tage im Monat durch den magnetischen Schweif, und die Partikel lagern sich auf seiner Oberfläche ab, da der Mond über keine Atmosphäre verfügt, die sie abschirmt.

Das Verständnis der Geschichte dieser Wechselwirkungen zwischen Erde und Mond ist von Bedeutung, da sie einen wertvollen chemischen Datensatz bietet. Dieser Datensatz könnte Informationen über die antike Erdatmosphäre enthalten, die im Mondboden gespeichert ist. Blackman betont, dass die Zusammensetzung der Atmosphäre mit der Evolution des Lebens in verschiedenen Phasen der Erdgeschichte verknüpft ist.

Eine neue Perspektive

Kentaro Terada, Professor für isotopische Kosmo-Chemie und Geochemie an der Universität Osaka in Japan, äußerte seine Freude darüber, dass seine Beobachtungen theoretisch bestätigt wurden. Terada leitete eine Studie aus dem Jahr 2017, die aufzeigte, wie der Sonnenwind und das Magnetfeld der Erde Sauerstoff zum Mond transportierten, war jedoch nicht an der neuen Forschung beteiligt.

„Es wird seit langem erkannt, dass die Erde und der Mond seit ihrer Entstehung physisch koevuliert haben“, schrieb er in einer E-Mail. Der Fund von Mondmeteoriten und die Beobachtung von Partikelströmen, die durch den Sonnenwind von der Erde zum Mond transportiert werden, bieten eine neue Perspektive: „Dass beide Körper sich auch chemisch gegenseitig beeinflusst haben, eine Art Materialaustausch“, erklärte er und fügte hinzu, dass der Artikel sehr aufregend sei wegen seiner umfassenden Diskussion über die Geschichte der Erde.

Der Mond enthält Hinweise auf die Geschichte und Evolution der Erde, und diese neue Studie verstärkt diese Idee, so Simeon Barber, Senior Researcher an der Open University im Vereinigten Königreich, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Seine Auffassung ist, dass die Studie zum richtigen Zeitpunkt kommt, zumal die Chang’e-5-Mission Chinas 2020 neue Proben von jungem Mondboden erwarb und 2024 die ersten Proben von der Rückseite des Mondes mithilfe von Chang’e-6 nehmen wird. Diese neuen Materialien bieten die Möglichkeit, die Ergebnisse weiter zu überprüfen.

Barber bemerkte zudem, dass die Arbeit helfen wird, die Ergebnisse künftiger robotergeführter Mondmodule zu interpretieren, die in der Lage sind, die flüchtigen Elemente im Mondregolith direkt zu messen.