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Astronomie+Physik

Meteoritischer Wasserklau

Meoriteneinschlag
Bei jedem Meteorschauer veliert der Mond ein wenig von seinem Wasser (Bild: NASA/Goddard/Conceptual Image Lab)

Wenn über der Erde ein Meteorschauer niedergeht, wird auch der Mond vermehrt von Meteoriten getroffen. Jetzt belegen Messungen der lunaren Orbitersonde LADEE, dass dies für den lunaren Wasserhaushalt unerwartete Folgen hat. Denn von dem im Regolith gebundenen Wasser wird bei diesen Einschlägen ein Teil aufgewirbelt und freigesetzt, wie plötzliche Anstiege der Wasserdichte in der Mond-Exosphäre während dieser Ereignisse zeigen. Das aber bedeutet: Entgegen bisherigen Annahmen sind zumindest diese kleinen Meteoriten keine Wasserbringer, sondern eher Wasserdiebe: Sie lassen mehr Wasser ins All entweichen als sie mitbringen. Insgesamt könnte der Mond rund 200 Tonnen Wasser pro Jahr durch Meteoriteneinschläge verlieren.

Lange galt der Erdtrabant als tot, kalt und extrem trocken. Doch bereits im Jahr 2010 erwies sich dies als Irrtum: Radarmessungen der indischen Sonde Chandrayaan-1 ergaben, dass es in mehr als 40 Kratern am lunaren Nordpol meterdicke Schichten von Wassereis geben könnte. Allein in dieser Region könnten mehr als 600 Millionen Tonnen Wassereis vorhanden sein. Und nicht nur dort gibt es lunares Wasser: In vulkanischem Mondgestein fanden Wissenschaftler Wassereinschlüsse und spektrale Messungen sprechen dafür, dass der lunare Regolith fast überall gebundenes Wasser in Form von Hydroxyl-Ionen enthält – wenn auch in relativ geringen Anteilen von 10 bis 1000 parts per million (ppm).

Mondsonde registriert Wasserdampf-Peaks

Das Merkwürdige daran: Weil der Mond durch eine katastrophale Kollision eines Protoplaneten mit der Erde entstand, muss bei seiner Bildung alles Wasser verdampft sein. Forscher gehen deshalb davon aus, dass das lunare Wasser teils von Meteoriteneinschlägen auf die Mondoberfläche gelangte und teils durch eine Interaktion des Regoliths mit dem Sonnenwind entsteht. Doch viele Aspekte des lunaren Wassers sind noch ungeklärt. So ist unklar, wie das Wasser im Regolith verteilt ist und auch, wie es sich in den polaren Kältesenken der Krater sammeln konnte. Jetzt haben Mehdi Benna vom Goddard Space Flight Center der NASA und seine Kollegen mithilfe der Mondsonde „Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer“ (LADEE) neue Einblicke in den lunaren Wasserkreislauf gewonnen.

Für ihre Studien hatten sie Messdaten zu flüchtigen Substanzen in der Mondumgebung ausgewertet, die die lunare Orbitersonde zwischen November 2013 und April 2014 gesammelt hatte. Die 743 Messungen spiegeln dabei wider, wieviel Wasser zu diesen Zeitpunkten in rund 20 bis 100 Kilometer Höhe über der Mondoberfläche vorhanden war. „Die meiste Zeit hat der Mond keine signifikanten Mengen von Wasser in seiner Exosphäre“, berichtet Co-Autor Richard Elphic vom Ames Research Center der NASA. Im Schnitt registrierte LADEE eine Dichte von 22,8 Wasserteilchen pro Kubikzentimeter. Doch während einiger kurzer Messepisoden schoss die Wassermenge in der lunaren Hülle plötzlich deutlich nach oben: „Bei diesen kurzzeitigen, aber intensiven Ereignissen wurden Intensitäten von mehr als der zehnfachen Dichte registriert“, berichten die Forscher.

Meteorschauer als Wasserdiebe

Aber warum? Wie sich zeigte, hatte LADEE immer dann erhöhte Wassermengen in der Mond-Exosphäre gemessen, wenn Erde und Mond gerade durch eine besonders „staubige“ Weltraumgegend flogen: „Der Mond begegnete in diesen Phasen einer Reihe wohlbekannter und jährlich auftretender Meteorschauer, darunter die Leoniden, die Geminiden und die Quadrantiden“, so Benna und sein Team. Immer, wenn der Mond durch diese Schweifreste von Kometen flog und von zahlreichen Meteoriten getroffen wurde, wurde offenbar vermehrt Wasser von seiner Oberfläche freigesetzt. Dieses Wasser stammte jedoch nicht von den Meteoriten, sondern muss aus dem lunaren Regolith kommen, wie die Forscher erklären: „Die Masse des freigesetzten Wassers ist größer als die des von den Meteoren mitgebrachten Wassers“, berichtet Co-Autorin Dana Hurley von der Johns Hopkins University in Baltimore.

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Das aber bedeutet: Der Regen kleinerer Meteoriten, der immer wieder auf die Mondoberfläche niedergeht, bringt kein Wasser mit, sondern mobilisiert nur das Wasser, das schon zuvor im lunaren Regolith enthalten ist. Wie die Forscher erklären, durchschlagen die kleinen Brocken die obere, wenige Zentimeter dicke Schicht stark ausgetrockneten Regoliths und treffen dann auf eine stärker hydratisierte Schicht. „Um die von uns gemessenen Werte zu erklären, muss diese Schicht im Schnitt 250 bis 520 ppm Wasser enthalten“, so die Wissenschaftler. Durch den Einschlag wird ein Teil dieses Wassers als Wasserdampf frei. Rund zwei Drittel davon entweichen ins All, ein Drittel jedoch bleibt in der Mondumgebung und lagert sich nach einiger Zeit in den Kältefallen der polaren Mondkrater ab.

Für den Mond und sein Wasser bedeutet dies: Insgesamt verliert er bei jedem Meteorschauer ein wenig seines Wassers. Denn auch wenn einige Meteoriten Wasser mitbringen und der Sonnenwind immer neue Hydroxyl-Ionen an der lunaren Oberfläche erzeugt – die Nettobilanz ist negativ, wie Benna und sein Team errechneten. Ihren Kalkulationen nach verliert der Mond 3,4 bis 8,1 Gramm pro Sekunde durch Meteoriteneinschläge, im Schnitt entstehen aber nur rund zwei Gramm pro Sekunde neu. „Daraus schließen wir, dass der Mond zurzeit dabei ist, Wasser zu verlieren“, konstatieren die Forscher. Insgesamt könnte sich dieser Wasserverlust auf rund 200 Tonnen pro Jahr belaufen. „Dieses verlorene Wasser ist wahrscheinlich sehr alt und stammt aus der Entstehungszeit des Mondes oder wurde früh in seiner Geschichte abgelagert.“

Quelle: Mehdi Benna (NASA Goddard Space Flight Center/ Greenbelt) et al., Nature Geoscience, doi: 10.1038/s41561-019-0345-3

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