Der Mond bebt

Wie im „Krieg der Sterne“: Ein Raumfahrzeug nähert sich lautlos unserem Mond. Dann lösen sich raketenförmige Geschosse von dem Gerät und richten ihre Spitzen drohend auf den Erdtrabanten. Doch diese Science-Fiction soll in zwei Jahren schon Wirklichkeit werden. Dann, so die Planung, werden sich von der japanischen Mondsonde Lunar-A zwei „Penetratoren“ trennen. Diese Einschlagsraketen werden sich im freien Fall in die Mondoberfläche bohren (siehe Kasten „Japans Mondsonde“ auf Seite 51). Ziel der wissenschaftlichen Kamikaze-Aktion ist es, mit Seismometern auf der Vorder- und Rückseite des Erdtrabanten Beben tief im Mondinnern zu belauschen. Mit der Abhöraktion kommt auch die Geschichte des Erde-Mond-Systems auf den Prüfstand: Wie lief die Kollision der jungen Erde mit einem anderen Planeten ab, die Wissenschaftler für die Geburtsstunde unseres Trabanten halten? Die Planetologen können schon jetzt auf beachtliche Mengen seismologischer Daten zurückgreifen. Bereits die Apollo-Astronauten hatten an ihren Landestellen automatische Seismometer auf dem Erdbegleiter hinterlassen. Acht Jahre sendete dieses Netz, bis es 1977 abgeschaltet wurde. „Über 12500 seismische Ereignisse wurden in dieser Zeit aufgezeichnet“, resümiert Jürgen Oberst. „Doch mehr als die Hälfte konnte bis heute weder Meteoriten-Einschlägen noch bekannten Bebentypen zugeordnet werden“, sagt der promovierte Geophysiker am Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin. Über 7500-mal mussten die Forscher die Ereignisse mit dem Etikett „unklassifiziert“ versehen. Trotzdem konnten sie wichtige Erkenntnisse aus den seismischen Daten herausfiltern: Die größte Gruppe von Ereignissen sind „tiefe Mondbeben“, die 800 bis 1200 Kilometer unter der staubigen Oberfläche entstehen. Über 3000 von ihnen konnten die vier Apollo-Bebenmesser aufspüren. Wesentlich seltener sind „flache Beben“ in 50 bis 220 Kilometern Tiefe. Bei den tiefen Beben zeigte sich bald eine Besonderheit: Manche hatten annähernd deckungsgleiche Seismogramme, obwohl sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgezeichnet wurden – ein Phänomen, das bei Erdbeben unbekannt ist. „Wir gehen davon aus, dass diese sehr ähnlichen Beben jeweils aus der gleichen aktiven Zone im Mondinnern stammen“, erklärt Oberst, der bereits seine Diplomarbeit über Mondbeben verfasst hat. „Über Hundert solcher Beben-Nester sind bekannt, und wir wissen in etwa, wo sie sich befinden. Typischerweise sind sie einen Kilometer groß.“ Zwar lässt der Start von Lunar-A noch ein Jahr auf sich warten, aber der DLR-Planetologe arbeitet bereits mit den Wissenschaftlern vom japanischen Zentrum für Weltraum und Raumfahrtwissenschaft (ISAS) zusammen, um die Interpretation der erwarteten Messdaten vorzubereiten. Seine These: In der hohen Zahl der unklassifizierten Ereignisse verbergen sich weitere Beben, die zu bekannten Nestern gehören. Die vergleichsweise bescheidenen Computer-Ressourcen der Apollo-Ära verhinderten ihre Zuordnung, denn der paarweise Vergleich einer großen Zahl einzelner Seismogramme erfordert hohen Rechenaufwand. Erste Ergebnisse seiner Neuauswertung der Daten des Seismometers von Apollo 12 geben ihm Recht. „Bereits über 200 Beben konnten mit Vergleichstests bekannten Nestern zugeordnet werden“, berichtete der Forscher kürzlich auf einer Mondkonferenz der Europäischen Raumfahrtagentur ESA in Berlin. Auch einige bisher unbekannte Nester kamen bei der automatisierten Prozedur ans Licht. Wie muss man sich diese Bebenzonen im Mondinnern vorstellen? „Niemand weiß das ganz sicher“, antwortet Yosio Nakamura, Professor an der University of Texas, der sich seit den Apollo-Zeiten mit der Mondseismik beschäftigt. Klar sei aber, dass die tiefen Beben mit den Gezeitenkräften zusammenhingen. Tatsächlich sind deutliche Regelmäßigkeiten beim Ausbruch der Beben festzustellen. Die Beben-Nester werden besonders dann aktiv, wenn der Mond auf seiner Umlaufbahn der Erde nahe kommt. Zunächst offen blieb jedoch, ob sie nur Mitauslöser sind und aus unbekannten Gründen eine seismische Spannung im Mondinneren herrscht oder ob die Gezeiten sogar als Verursacher die Quelle dieser Spannung sind. Bei der Auswertung der Apollo-Daten fielen den Mondforschern weitere Korrelationen mit den Gezeitenkräften auf: „Oft variieren die Amplituden der Beben-Wellen mit denen der Gezeiten. Das führte uns schließlich zur These der Gezeiten als Beben-Quelle“, erklärt Nakamura. Der Wissenschaftler vergleicht das mit dem Phänomen der Materialermüdung. Eine periodisch wiederkehrende Belastung kann in einem Werkstoff an einer Stelle konzentrierter Spannung einen Riss entstehen lassen, der im Lauf der Zeit mit der wiederkehrenden Belastung anwächst. „Die Situation ist in dieser Hinsicht im Mondgestein ähnlich“, erklärt Nakamura mit Blick auf die wiederkehrenden Gezeiten. Ein periodisch wachsender Riss entspräche in diesem Bild periodisch auftretenden Mondbeben. Die Spannungskonzentration käme danach zwar aus dem Mondinneren, wäre aber lediglich eine Voraussetzung für die Rissentstehung. Sie könnte ihren Ursprung dort haben, wo hartes Mondgestein mit weichem im unteren Mittelmantel zusammentrifft, spekuliert Nakamura. „Die meisten tiefen Mondbeben stammen aus dem anscheinend festen mittleren Mantel des Trabanten. Darunter vermuten wir eine weichere Zone. Dieser Gegensatz könnte die nötige Spannungskonzentration verursachen.“ Doch wichtige Fragen bleiben unbeantwortet. Vor allem: Warum liegen fast alle Beben-Nester auf der erdzugewandten Mondseite? Dort ist die Häufung der Nester unter den dunklen Maregebieten („Maria“) auffällig. Die hellen Hochlandgebiete sind von den Unruhezonen weitgehend verschont. Da die Mare auf der Rückseite des Erdtrabanten fast völlig fehlen, drängt sich ein Zusammenhang mit dieser Oberflächenform auf. Doch es könnte sich bei dem Phänomen auch um ein Artefakt der Messmethode handeln: Die Landestellen der Astronauten – und somit der Seismografen-Stationen – liegen ausschließlich auf der Vorderseite des Trabanten. In zwei Jahren soll die stiefmütterliche Behandlung der Mondrückseite ihr Ende finden. Einer der beiden Penetratoren von Lunar-A soll dort einschlagen. In den etwa ein Meter langen raketenförmigen Sonden stecken unter anderem Seismometer, die fünfmal empfindlicher sind als ihre Apollo-Vorgänger. Ihre Abschirmung gegen den Aufprall muss kurzfristig das 8000fache der Erdbeschleunigung aushalten, wenn sich die Penetratoren metertief in den Boden rammen. Dazu werden so wenige bewegliche Teile wie möglich verwendet und in einen harten, aber leichten Kunststoff integriert. Ein Jahr lang sollen die Bordbatterien durchhalten – Zeit genug, um nach Rückseiten-Beben zu lauschen. Genau gegenüber, auf der Mondvorderseite, soll der andere Penetrator nahe der Landestelle von Apollo 12 niedergehen. Dort wäre er über einem besonders aktiven Beben-Nest, dem so genannten A01-Nest. Ziel dieser Anordnung: Sollten die Beben-Wellen des A01-Nestes das Rückseiten-Seismometer erreichen, hätten sie auf ihrem Weg den Kern des Mondes durchquert. Dort vermuten die Forscher den kleinen metallischen Kern des Trabanten. Wie auf der Erde nimmt tief im Inneren des Mondes die Temperatur zu. Unterhalb der Zone der tiefen Mondbeben werden die seismischen S-Wellen (siehe Kasten „Das Beben des Mondes“) stark gedämpft – wahrscheinlich ist diese Zone teilweise geschmolzen. „Auch der Mondkern ist möglicherweise flüssig oder annähernd flüssig“, vermutet Nakamura. Die Größe des Kerns und seine chemische Zusammensetzung sind allerdings umstritten. Der Mondexperte Alan Binder vom Lunar Research Institute in Tucson, Arizona, nimmt an, dass nur knapp zwei Prozent der Masse des Mondes in seinem Kern konzentriert sind. Das hat die Auswertung der Schwerefeld-Messungen der Sonde Lunar-Prospector im Jahr 1999 ergeben. Das ist sehr wenig verglichen mit der Erde, deren Kern immerhin 30 Prozent zur Gesamtmasse beiträgt. Dr. Alex Konopliv vom Jet Propulsion Laboratory in Kalifornien gibt den Radius des Zwergkerns mit 220 bis 450 Kilometern an. Ähnliche Werte hat Lon Hood von der University of Arizona in Tucson durch Analysen magnetischer Messungen ermittelt. Doch Prof. Hitoshi Mizutani, Leiter der Lunar-A-Mission, bezweifelt diese Werte: „Der Einfluss des Kerns auf die Prospector-Bahn ist zu gering, und die Unsicherheiten bei der Zusammensetzung von Mantel und Kruste sind zu groß. Wir brauchen direktere Informationen über die Größe des Kerns.“ Falls es Mizutanis Seismometer nach einer Reise von einem Jahr und der unsanften Landung gelingen sollte, die Beben-Wellen des A01-Nestes auf der Mondrückseite aufzufangen, könnten dem mysteriösen Mondkern seine Geheimnisse entrissen werden. Die Wellen hätten auf dem Weg quer durch den Mond gleichsam Fingerabdrücke des durchmessenen Gesteins genommen. Mit etwas Glück könnte Mizutanis Computersimulationen zufolge der Mondkern sogar selbst bei seiner Enträtselung helfen: Wenn sein Radius 400 bis 500 Kilometer beträgt, wirkt er wie ei-ne Linse, die Beben-Wellen zum Seismometer auf der Rückseite fokussieren kann. Was geschieht aber, wenn der Penetrator nicht in das lockere Geröll des Mondbodens, sondern in einen größeren Felsblock rast? „ Dann haben wir einen Ausfall“, räumte Mizutani auf der Berliner Konferenz ein. Das Risiko eines Verlustes durch ungünstiges Geländes liege bei etwa fünf Prozent. Neue seismische Messungen auf Mond, Mars, Planetoiden und Kometen hält auch Erik Asphaug, Professor an der University of Arizona, für notwendig: „ Entdeckungen wie die des verborgenen Chicxulub- Riesenkraters in Mittelamerika und des Abtauchens der Krustenplatten in den Erdmantel sind Beispiele für die Erfolge seismischer Methoden.“ Denn seismische Wellen „röntgen“ die Erde und bilden den Untergrund detailliert ab. Jetzt stehe die Anwendung im Sonnensystem auf der Agenda. Zusammen mit seiner Kollegin Robin Canup vom Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, sorgte Asphaug letztes Jahr mit einer Veröffentlichung zur Mondentstehung für Furore. Mit Simulationsrechnungen gelang es ihnen, das Szenario der „Big Impact“-Theorie realistischer als je zuvor zu beschreiben und gleichzeitig die heutigen Eigenschaften des Erde-Mond-Systems zu reproduzieren. Die „Big Impact“-Theorie besagt, dass die Urerde von einem Planeten seitlich getroffen wurde – ähnlich wie bei einem Streifschuss (bild der wissenschaft 10/1998, „Aus Trümmern geboren“). Der andere Himmelskörper war ungefähr so groß wie der Mars und wurde bei der Kollision vollständig zerstört. Eine Wolke aus seinen Trümmern und aus Gestein des Erdmantels bildete das Rohmaterial, das sich später zum Mond formierte. „Der kleine Mondkern ist eine ziemlich schwierige Beschränkung“, sagt Asphaug, der die Kollision in seinem Rechner unter verschiedenen Bedingungen durchgespielt hat. „Ein deutlich kleinerer Impaktor, der die Erde streifend trifft, kann ebenfalls genug Trümmer in einen stabilen Orbit befördern.“ Doch obwohl das resultierende System sogar annähernd den richtigen Drehimpuls hatte, verwarfen Asphaug und Canup diese Variante. „Viel zu viel Eisen aus dem Impaktor-Kern würde im Orbit verbleiben.“ Der Mond hätte einen deutlich größeren Kern, als man heute annimmt. Asphaug geht vielmehr von einer Art planetarer Kernverschmelzung aus: „Fast der gesamte Kern des Impaktors hat sich mit dem Erdkern vereinigt. Ein Vorgang, der innerhalb von ein paar Stunden geschah.“ Die Herkunft der heutigen Mond-Bestandteile liefern seine Simulationen gleich mit: Nur ein winziger Bruchteil des Kernmaterials schaffte es in die Erdumlaufbahn und formte nach der Entstehung des Mondes dessen Kern. „Das Eisen des Mondkerns stammt in unserem Modell ausschließlich vom Impaktor. Der lunare Silikatmantel besteht dagegen jeweils zur Hälfte aus dem Mantelgestein der Erde und dem ihres Kollisionspartners“, erklärt Asphaug. Doch das Modell kann nicht alle Bedingungen des Planeten-Crashs erfassen. Asphaug: „ Die große Frage ist, ob durch den Einschlag genug Energie freigesetzt wurde, um den Erdmantel zu schmelzen und einen globalen Magma-Ozean zu bilden.“ Ein solches steinernes Meer vermuten die Forscher in einer späteren Entwicklungsphase auf der Mondoberfläche. Asphaug kann es sich auch auf unserem Planeten vorstellen. Doch bevor sich Näheres sagen lässt, muss Asphaug die Simulation der Energieverteilung während der Kollision verbessern. Jürgen Oberst im DLR hat ebenfalls die Zukunft im Blick: „Der von Gezeitenkräften geschüttelte Jupitermond Europa wäre ein lohnendes Ziel für Seismometer. Auch der vermutete Ozean unter der festen Kruste des Eismondes wäre mit Beben-Wellen leicht nachzuweisen.“

Kompakt

Tief unter der Mondoberfläche liegen aktive Beben-Nester, die von Gezeitenkräften aktiviert werden. Mit seismischen Wellen soll das Innere des Mondes, insbesondere sein Kern, erkundet werden. Simulationsrechnungen zufolge stammt der Mondkern ausschließlich von einem Planeten, der einst mit der Urerde kollidierte.

Japans Mondsonde

Der Start von Lunar-A ist für Sommer 2003 vom Kagoshima-Weltraumzentrum geplant. Die Sonde hat einen zylindrischen Körper von 2,2 Meter Durchmesser und 1,7 Meter Höhe. Die Stromversorgung übernehmen vier Sonnensegel. Eine M-V-Rakete soll das 540 Kilogramm schwere Raumschiff in einen Transferorbit bringen. Der Eintritt in eine elliptische Mondumlaufbahn, die bis zu 40 Kilometer an den Trabanten heranreicht, ist erst für 2004 vorgesehen. Lunar-A führt zwei Messsonden mit, die Penetratoren mit etwa 285 Meter pro Sekunde auf die Mondoberfläche einschlagen werden. Diese Penetratoren sind 14 Zentimeter dick, 80 Zentimeter lang und 13 Kilogramm schwer. Neben seismischen Aktivitäten wollen die Forscher den Wärmestrom messen. Dazu enthalten die Penetratoren mehrere Temperaturfühler. Die Wissenschaftler erwarten eine Eindringtiefe von ein bis drei Metern. Nachdem die Penetratoren auf den Mond gefallen sind, nimmt Lunar-A eine kreisförmige Umlaufbahn in 200 bis 300 Kilometer Höhe über dem Erdtrabanten ein. Alle 15 Tage soll der Orbiter die Einschlagstellen überfliegen, die Messdaten der Penetratoren empfangen und zur Erde funken. Der Mondboden ist für Radiowellen relativ transparent, eine Abschwächung der Signale wird deshalb nicht erwartet. Außerdem soll eine Kamera an Bord des Orbiters einfarbige Mondfotos mit einer Auflösung von 30 Metern machen.

Das Beben des Mondes

Im Unterschied zur Erde hat der Mond keine Plattentektonik, das heißt, seine Kruste verschiebt sich nicht, sondern verharrt stets am selben Ort. Dabei ist sie mächtiger als die der Erde. Sie ist auf der erdzugewandten Seite etwa 70 Kilometer dick und auf der Rückseite 150 Kilometer. Darunter liegt der Mondmantel – eine Zone die Beben-Wellen gut leitet. Die Mondbeben scheinen vergleichsweise lange zu dauern – zum Teil über eine Stunde –, oder die seismischen Signale werden im Mondinneren so lange gestreut. Die Beben erreichen aber nicht die Stärke von Erdbeben: Ein einziges Beben in acht Jahren hatte die Stufe 5 auf der Richterskala, die meisten liegen bei Werten zwischen 1 und 2. Die Beben-Wellen setzen sich hauptsächlich aus den schnellen P-Wellen, physikalisch den Schallwellen vergleichbar, und den langsameren S-Wellen zusammen. Diese Scher-Wellen werden in geschmolzenem Gestein stark gedämpft und können eine Flüssigkeit nicht passieren. P-Wellen können dagegen den gesamten Mondkörper durchqueren, auch geschmolzenes Material wie den flüssigen Erdkern. Die Größe des Mondkerns ist nur ungenau bekannt, und seine chemische Zusammensetzung wird ebenfalls kontrovers diskutiert: Während die meisten Planetologen von einem eisenreichen Kern ausgehen, vermutet Mark Wieczorek vom Massachusetts Institute of Technology einen geschmolzenen Titan-reichen Kern mit einem Radius von bis zu 540 Kilometern.

Thorsten Dambeck