Als je op school over de maan leert, wordt je over het algemeen geleerd dat de zwaartekracht niet sterk genoeg is om enige atmosfeer van enige betekenis vast te leggen en vast te houden. De maan is nog steeds omgeven door een dunne, kortstondige halo van gassen: de exosfeer.
Dit verrassende feit werd voor het eerst ontdekt met behulp van instrumenten die werden gedragen door astronauten die de maan bezochten met het Apollo-programma. De zwakke zwaartekracht van de maan betekent dat de samenstellende atomen van de exosfeer voortdurend de ruimte in drijven – en als zodanig betekent de voortdurende aanwezigheid van de maan dat de voorraad van deze atomen voortdurend wordt aangevuld.
Een nieuwe studie gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang Op 2 augustus bekijkt hij hoe deze vulling precies gebeurt. Het onderzoekt een groep elementen waarvan de aanwezigheid in de maanatmosfeer een verrassing zou kunnen zijn voor iedereen die scheikunde heeft gestudeerd: de alkalimetalen.
De alkalimetalen vormen de eerste groep van het periodiek systeem en omvatten lithium, natrium, kalium, rubidium en cesium (samen met frank, dat nooit in macroscopische hoeveelheden wordt aangetroffen omdat het zo radioactief is). Waarom is hun aanwezigheid een verrassing? Op aarde staan ze bekend om hun reactiviteit, zoals blijkt uit de klassieke demonstratie op de middelbare school van wat een stukje natrium doet als het in contact komt met water. Op de maan zijn de zaken echter heel anders.
Zoals prof. Nicole Nie, hoofdauteur van het artikel Populaire wetenschap“In maangrond en rotsen worden alkalimetalen gebonden tot mineralen, waardoor stabiele chemische bindingen worden gevormd met zuurstof en andere elementen. Maar wanneer ze van het oppervlak worden losgelaten, worden ze meestal neutrale atomen. Er is geen vloeibaar water of een grote atmosfeer [on the moon]zodat deze metalen in hun elementaire vorm kunnen blijven -[and] omdat het aantal atomen in de maanatmosfeer zo klein is, zijn de atomen vrij om lange afstanden af te leggen zonder met elkaar in botsing te komen.”
Dit roept echter de vraag op hoe de atomen überhaupt van het oppervlak worden losgelaten. Het artikel probeert deze vraag te beantwoorden – en in het bijzonder de relatieve bijdrage van de drie processen die gezamenlijk bekend staan als ‘ruimtetijd’. De verbindende factor in deze drie processen is dat er iets inkomt dat het oppervlak van de maan raakt en de alkalimetaalelementen losmaakt van de minerale verbindingen waarin ze gebonden zijn. (Bij deze processen komen ook andere elementen vrij, maar door de vluchtigheid van de alkalimetalen komen deze bijzonder gemakkelijk vrij.)
Het eerste van deze processen zijn de inslagen van micrometeorieten, waarbij kleine stukjes ruimtepuin met voldoende kracht naar beneden vallen om een klein stukje van het oppervlak van de maan te verdampen en de samenstellende atomen in een baan om de aarde te lanceren. De tweede is ionenverstrooiing, waarbij geladen deeltjes, aangedreven door de zonnewind, het oppervlak van de maan raken. En ten slotte is er de door fotonen gestimuleerde desorptie, waarbij het de hoogenergetische fotonen van de zon zijn die de alkalimetalen vrijgeven.
Zoals in het artikel wordt vermeld, heeft eerder onderzoek, hoewel elk proces goed wordt gekarakteriseerd, het hunne niet volledig onthuld [relative] bijdragen” aan de maanatmosfeer. Om dat te doen gingen Nie en haar team terug naar de bron van de vraag: het Apollo-programma. Verschillende bemande missies naar de maan eind jaren zestig en begin jaren zeventig brachten in totaal 382 kg aan maanbodemmonsters mee, en decennia later onthullen deze monsters nog steeds hun geheimen aan onderzoekers. Nie’s onderzoek omvatte het onderzoeken van tien monsters van vijf verschillende Apollo-missies, waaronder een aantal van Apollo 8, de eerste bemande maanlanding.
Het team gebruikte deze monsters om de relatieve verhoudingen van verschillende isotopen van kalium en rubidium in de bodem te bekijken. (Natrium en cesium hebben elk slechts één stabiele isotoop, terwijl lithium minder vluchtig is dan zijn zwaardere neven.) Zoals Nie uitlegt. Populaire wetenschap“Tijdens deze processen komen bij voorkeur lichtere isotopen van het element vrij, waardoor de maanbodem een relatief zwaardere isotopensamenstelling achterlaat. Voor elementen die door ruimteweer worden beïnvloed, verwachten we dat de maanbodem een zware isotopensamenstelling zal vertonen, vergeleken met diepere rotsen die niet door het proces worden beïnvloed.”
Verschillende verweringsprocessen in de ruimte produceren verschillende isotopenverhoudingen, en de resultaten van het team laten zien dat de inslagen van micrometeorieten de grootste bijdrage lijken te leveren aan de maanatmosfeer, “waarschijnlijk voor meer dan 65% van de atmosferische invloeden.” [potassium] atomen, terwijl ionenverstrooiing de rest vormt.”
Dit levert waardevol inzicht op in de manier waarop de atmosfeer van de maan zich in de loop van miljarden jaren heeft ontwikkeld. Hoewel de samenstelling ervan op kortere tijdschalen kan variëren, suggereren deze resultaten dat micrometeorieteninslagen op de lange termijn een dominante rol spelen in de voortdurende vernieuwing van de atmosfeer. De studie suggereert ook dat soortgelijk onderzoek zou kunnen worden uitgevoerd op andere maanachtige objecten, zoals Phobos, een van de twee manen van Mars.