De maan heeft misschien niet echt een atmosfeer, vooral vanwege het zwakke zwaartekrachtveld (of de maan een paar miljard jaar geleden een significante atmosfeer had, valt te betwijfelen). Maar er wordt aangenomen dat het momenteel zijn ijle atmosfeer – ook bekend als de exosfeer – behoudt als gevolg van meteorietinslagen.
Ruimtestenen bombarderen de maan tijdens haar 4,5 miljard jaar bestaan. Onderzoekers van het MIT en de Universiteit van Chicago hebben nu ontdekt dat monsters van maangrond, verzameld door astronauten tijdens het Apollo-tijdperk, aantonen dat meteorieten, van gigantische meteorieten tot micrometeoroïden die niet groter zijn dan stofdeeltjes, een gestage stroom atomen de exosfeer in veroorzaken.
Hoewel sommige van deze atomen de ruimte in ontsnappen en andere naar de oppervlakte vallen, creëren de atomen die boven de maan achterblijven een dunne atmosfeer die voortdurend wordt vernieuwd naarmate er meer meteorieten op het oppervlak neerstorten.
“Gedurende lange perioden is de verdamping van micrometeorieten de belangrijkste bron van atomen in de maanatmosfeer”, aldus de onderzoekers in een onderzoek dat onlangs in Science Advances is gepubliceerd.
Klaar om te lanceren
Toen NASA in 2013 zijn LADEE-orbiter (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) naar de maan stuurde, had de missie tot doel de oorsprong van de atmosfeer van de maan te ontdekken. LADEE observeerde meer atomen in de atmosfeer tijdens meteorenregens, wat erop wijst dat de inslagen iets met de atmosfeer te maken hebben. Dit liet echter vragen achter over het mechanisme dat de impactenergie omzet in de diffuse atmosfeer.
Om deze antwoorden te vinden, moest een team van onderzoekers van het MIT en de Universiteit van Chicago, onder leiding van professor Nicole Nie van het Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences van het MIT, de isotopen analyseren van elementen in de maanbodem die het meest gevoelig zijn voor de effecten van micrometeoroïden. invloeden. Ze kozen voor kalium en rubidium.
Kalium- en rubidiumionen zijn bijzonder gevoelig voor twee processen: schokverdamping en ionenverstrooiing.
Schokverdamping is het resultaat van deeltjes die met hoge snelheden botsen en extreme hoeveelheden hitte creëren die de atomen voldoende prikkelen om het materiaal waarin ze zich bevinden te verdampen en ze te laten vliegen. Ionensputteren brengt hoge energie-inslagen met zich mee die atomen vrijmaken zonder verdamping. Atomen die vrijkomen bij het sputteren van ionen hebben doorgaans meer energie en bewegen sneller dan de atomen die vrijkomen bij schokverdamping.
Elk van deze kan een maanatmosfeer creëren en behouden na een meteorietinslag.
Dus als de atomen die door ionenverstrooiing de atmosfeer in worden gestuurd een energievoordeel hebben, waarom ontdekten de onderzoekers dan dat de meeste atomen in de atmosfeer feitelijk afkomstig zijn van schokverdamping?
Terug aanraken
Omdat de lichtere en zwaardere isotopen van kalium en rubidium eerder waren gekwantificeerd in maanbodemmonsters van NASA, gebruikte het team van Lie berekeningen om te bepalen welk botsingsproces waarschijnlijker zou voorkomen dat de verschillende isotopen uit de atmosfeer zouden ontsnappen.
De onderzoekers ontdekten dat atomen die door het sputteren van ionen in de atmosfeer worden geblazen, met zulke hoge energieën worden meegevoerd dat ze vaak de ontsnappingssnelheid bereiken – de minimale snelheid die nodig is om aan de toch al zwakke zwaartekracht van de maan te ontsnappen – en door te gaan met reizen naar de ruimte. Atomen die in de atmosfeer terechtkomen, kunnen immers ook uit de atmosfeer verloren gaan.
De fractie atomen die de uitgangssnelheid bereikt na schokverdamping hangt af van de temperatuur van die atomen. De lagere energieniveaus die gepaard gaan met schokverdamping resulteren in lagere temperaturen, waardoor de atomen minder kans krijgen om te ontsnappen.
“Impactverdamping is op de lange termijn de dominante bron van de maanatmosfeer en draagt waarschijnlijk voor meer dan 65 procent bij aan de atmosferische invloed.” [potassium] atomen, waarbij ionenverstrooiing de rest vormt”, zeiden Lie en haar team in hetzelfde onderzoek.
Er zijn andere manieren waarop atomen verloren gaan uit de maanatmosfeer. Het zijn vooral de lichtere ionen die de neiging hebben om in de exosfeer te blijven, en de ionen keren terug naar het oppervlak als ze te zwaar zijn. Anderen worden gefotoïoniseerd door elektromagnetische straling van de zonnewind en worden vaak door zonnewinddeeltjes de ruimte in gedragen.
Wat we via de maanbodem over de maanatmosfeer hebben geleerd, zou de studie van andere hemellichamen kunnen beïnvloeden. Er is al sprake van schokverdamping om atomen in de exosfeer van Mercurius te lanceren, die dunner is dan die van de maan. Het bestuderen van de bodem van Mars, die in de toekomst met monsterretourmissies op aarde zou kunnen landen, zou ook een beter inzicht kunnen verschaffen in de manier waarop meteorietinslagen de atmosfeer beïnvloeden.
Nu we een nieuw tijdperk van bemande maanmissies naderen, heeft de maan ons misschien meer te vertellen over waar zijn atmosfeer vandaan komt en waar hij naartoe gaat.
Wetenschappelijke vooruitgang, 2024. DOI: 10.1126/sciadv.adm7074