Der Mond

Bis heute ist der Mond der einzige terrestrische Körper, der neben einer Vielzahl von Sonden auch von Menschen direkt untersucht wurde. Er ist derzeit noch neben der Erde der einzige Körper, auf dessen Oberfläche seismische Messungen und Wärmeflussuntersuchungen durchgeführt wurden, die unsere Erkenntnisse über das Innere des Erdtrabanten deutlich erweitert haben. In den Jahren 1969 bis 1972 besuchten zwölf Astronauten im Rahmen der amerikanischen Apollo-Missionen den Mond und brachten zirka 382 Kilogramm Proben unterschiedlicher Gesteine zur Erde zurück. Die Mondproben mit ihrem meist hohen Alter von drei bis über vier Milliarden Jahren und ihrer sehr genau untersuchten chemischen und mineralogischen Zusammensetzung ermöglichen uns einen Rückblick in die Frühzeit des Sonnensystems und auf die Entwicklungsgeschichte des Erde-Mond-Systems. Sie sind für tiefere Einsichten in die Entwicklung des Sonnensystems, vor allem der vier erdähnlichen Planeten und der großen Asteroiden von Bedeutung.

Gleichzeitig werden durch die Mondforschung die Grundlagen für ein besseres Verständnis der jungen Erde und ihrer Entwicklung gelegt. Der Mond könnte bei der Evolution des Lebens auf der Erde eine entscheidende Rolle gespielt haben, da er durch seine Schwerkraft seit mindestens drei oder sogar mehr als vier Milliarden von Jahren für die Stabilisierung der Erdachse sorgt. Außerdem sorgen die vom Mond ausgehenden Gezeiten dafür, dass die Meere an den Küsten durch die Dynamik der Wasserbewegungen ständig lebenswichtige Minerale aus den Gesteinen herauslösen und im Wasser der Ozeane anreichern konnten.

Der Mond umkreist die Erde in Bezug zum Sternenhimmel in 27 Tagen, 7 Stunden und 43,7 Minuten im gleichen Drehsinn, wie sich die Erde um die Sonne bewegt. Fast genau so lang benötigt der Mond für eine Drehung um seine eigene Achse. Dies wird als gebundene Rotation bezeichnet und ist eine Folge der Gezeitenwirkung der Erde auf den Mond. Die gebundene Rotation führt dazu, dass der Mond der Erde immer die gleiche Seite zuwendet, die aus diesem Grund auch die Mondvorderseite genannt wird. Die Mondrückseite bekommen wir auf der Erde nie zu sehen. Sie wurde erstmals 1959 von der sowjetischen Raumsonde Lunik 3 fotografiert. Als Folge von Librationen (kleinen Taumelbewegungen des Mondes auf seiner leicht elliptischen Bahn um die Erde) können jedoch von der Erde aus 59 Prozent der Mondoberfläche beobachtet werden.

Der Erdmond ist der kleinste der erdähnlichen, der "terrestrischen" Körper des inneren Sonnensystems (neben dem Mond Merkur, Venus, Erde, Mars). Im Sinne der vergleichenden Planetologie wird der Mond als Bestandteil des Erde-Mond-Systems aufgrund seiner Größe und Zusammensetzung als erdähnlicher Planet betrachtet. Bei einem Durchmesser von etwa 3.476 Kilometern hat er eine Oberfläche von knapp 38 Millionen Quadratkilometern. Das ist nicht ganz ein Viertel der Fläche aller Kontinente auf der Erde. Aufgrund seiner geringen Größe besitzt der Mond zu wenig Masse (nur ein Achtzigstel der Erdmasse), um eine Atmosphäre an sich zu binden. Nur einige Atome und Ionen von leichtflüchtigen Elementen umgeben den Erdtrabanten in einer hauchdünnen 'Exosphäre', deren Gesamtmasse auf nur zehn Tonnen geschätzt wird und deshalb einem perfekten Vakuum sehr nahe kommt. In dieser Exosphäre finden sich Natrium- und Kaliumatome, die vom Sonnenwind aus dem Regolith, dem Staub auf der Mondoberfläche, geschlagen wurden, sowie Helium (⁴He) als Bestandteil des Sonnenwindes. Ferner wurden Isotope von Argon (⁴⁰Ar), Radon (²²²Ra) und Polonium (²¹⁰Po) nachgewiesen - letztere entstehen beim radioaktiven Zerfall in der Mondkruste und dem Mondmantel und werden von dort gasförmig an die Exosphäre abgegeben.

Bei Betrachtung der Oberfläche des Mondes fallen zwei deutlich unterschiedliche Gebiete auf: Zum einen das helle Hochland, das über 80 Prozent einnimmt, und zum anderen die dunkleren Maregebiete, die knapp 20 Prozent ausmachen. Das Hochland besteht aus kalzium- und aluminiumreichen Feldspäten, einer auch auf der Erde weit verbreiteten Mineralgruppe. Die Mare hingegen bestehen aus dunklen vulkanischen Gesteinen. Das Hochland ist auch mit wesentlich mehr Einschlagskratern übersät, woraus sich ein höheres Alter dieser Oberflächeneinheiten von in der Regel mehr als 3,8 Milliarden Jahren ableiten lässt.

Mithilfe spektraler Messungen aus dem Mondorbit und mit Teleskopen konnte die mineralogische bzw. geochemische Zusammensetzung der gesamten Mondkruste bestimmt werden. Die Maregebiete sind vulkanischen Ursprungs und finden sich hauptsächlich auf der erdzugewandten Seite. Sie sind jünger als die Hochländer und füllen vor allem die riesigen kreisrunden Becken, die durch die Einschläge von Asteroiden entstanden sind. Der Umstand, dass sich auf der Mondvorderseite eine größere Zahl der großen Impaktbecken mit basaltischer Lava füllen konnte als auf der Rückseite des Mondes, ist darauf zurückzuführen, dass die Mondkruste auf der erdabgewandten Seite wesentlich dicker ist und so den Aufstieg und den Austritt von Magma aus dem Mondmantel erschwerte.

Vermutlich entstand der Erdbegleiter, als vor 4,5 Milliarden Jahren ein planetarer Körper etwa von der Größe des Mars mit der gerade einmal 50 Millionen Jahre alten, aber schon in Kruste, Mantel und Kern differenzierten Erde kollidierte. Dabei schmolzen und verdampften große Mengen des Erdmantels und wurden ins All geschleudert. Dieses Material rekondensierte und sammelte sich in einem Ring um den Äquator der Erde. Durch Akkretion (also gravitationsbedingtes Aufsammeln von Materie) der Teilchen in dieser Scheibe aus Staub und Gesteinspartikeln entstand und wuchs der Mond in wenigen Millionen Jahren zu seiner heutigen Größe.

Im Wesentlichen war die geologische Entwicklung des Mondes schon relativ früh abgeschlossen. Durch das kontinuierliche Bombardement des jungen Mondes durch Asteroiden und Kometen, sowie dem Zerfall von Wärme produzierenden radioaktiven Elementen in seinem Inneren kam es in der Frühphase des Mondes zur Ausbildung eines mehrere hundert Kilometer mächtigen globalen Magmaozeans. Das Abkühlen dieses Magmaozeans nach der Abnahme des Bombardements und des radioaktiven Zerfalls führte zur Kristallisation einer Reihe von gesteinsbildenden Mineralen. Zunächst sank metallisches Eisen in die Tiefe und bildete einen kleinen, nur wenige hundert Kilometer großen Kern. Dann kristallisierten schwere magnesium- und eisenreiche Minerale, die ebenfalls nach unten sanken und einen Mantel bildeten. Schließlich kam es zur Bildung einer ersten Kruste aus leichten, kalzium- und aluminiumreichen Silikaten. Aufgrund ihrer geringen Dichte trieben diese sogenannten anorthositischen Feldspäte in diesem mittlerweile fast vollständig erstarrten Magmaozean zur Oberfläche auf und erstarrten zur primären Kruste, den lunaren Hochländern. Elemente, wie zum Beispiel Kalium, Uran, Thorium, Phosphor und einige Seltene Erden, die nur schwer einen Platz in den Kristallgittern der gesteinsbildenden Minerale finden, sammelten sich an der Basis der feldspatreichen Kruste. Ein teilweises Wiederaufschmelzen des Mantels führte letztlich zum Aufsteigen eisen- und magnesiumreicher silikatischer Magmen, die heute als Basaltgestein die Maregebiete bedecken.

Insgesamt ist der Mond ein vollständig differenzierter, also ein nur wenig primitiverer Körper als die Planeten des inneren Sonnensystems, weil er wie diese einen Kern, einen Mantel und eine Kruste besitzt. Noch nicht geklärt ist, warum die Mondkruste auf der Rückseite deutlich mächtiger ist als auf der Mondvorderseite. Im Zeitraum von vor etwa 4,3 bis 3,8 Milliarden Jahren formten häufige und sehr heftige Einschläge von Meteoriten und Asteroiden das Antlitz des Mondes. Die größten Einschläge drangen so tief in die Kruste ein, dass vor allem auf der Mondvorderseite der Aufstieg basaltischer Laven erleichtert wurde und diese an der Oberfläche austreten konnten. Die riesigen Einschlagbecken füllten sich im Zeitraum von mehreren hundert Millionen Jahren mit den gegenüber den Hochlandgesteinen dunkleren Basalten. Beobachter auf der Erde vermuteten in den dunklen Flächen mit Wasser gefüllte Meere, und so erklärt es sich, dass die Basaltfüllungen der Einschlagbecken noch heute als „Meere“ (lat. Mare) bezeichnet werden, wie das Mare Imbrium, das Mare Serenitatis oder der Oceanus Procellarum.

Die vulkanische Entwicklung war vor etwa drei Milliarden Jahren so gut wie abgeschlossen, nur noch vereinzelt erreichten Magmen bis vor zirka einer bis anderthalb Milliarden Jahren die Mondoberfläche. Seither ist der Mond zumindest an der Oberfläche ein geologisch nahezu inaktiver Körper, der infolge seiner geringen Anziehungskraft keine Atmosphäre aus flüchtigen Gasmolekülen an sich binden konnte und keine größeren Wassermengen aufweist. Allerdings zeigen Daten der in den Jahren 1997 bis 1999 den Mond umkreisenden Sonde Lunar Prospector, dass sich in den tiefen, permanent abgeschatteten Kratern an Nord- und Südpol im Mondboden eine nicht unbeträchtliche Menge Wassereis befindet. Die detaillierte Untersuchung dieser möglichen Wassereisvorkommen war auch das Ziel mehrerer internationaler Mondmissionen der letzten Jahre.

Mit Spektrometern an Bord der indischen Mission Chandrayaan-1, dem Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) und dem Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) der NASA konnten nicht nur diese Eisvorkommen in tiefen polaren Kratern bestätigt werden, sondern es wurde auch 'Wasser' gefunden, das als Hydoxyl-Ionen (OH^s) in Mineralen und dem Regolith über den ganzen Mond verteilt ist - allerdings in nur sehr geringer Konzentration.

Der Mond ist in jüngerer Zeit wieder zu einem der wichtigsten Ziele der Planetenerkundung geworden. Nach einer langen Pause in der Mondforschung sind in den vergangenen 20 Jahren mehrere Orbitermissionen durchgeführt worden. Neben den USA beteiligen sich auch die aufstrebenden asiatischen Raumfahrtnationen an der Erforschung des Mondes. Wissenschaftlich ergiebig waren die japanische Mission Kaguya-SELENE (2007 bis 2009), das amerikanische Impaktexperiment LCROSS (2009), vier chinesische Sonden der Chang'e-Reihe (mit einer ersten Landung im Dezember 2013 und einer zweiten Landung auf der Mondrückseite im Januar 2019), der indische Orbiter Chandrayaan-1 (2008 bis 2009), die Doppelsatelliten der NASA-Mission GRAIL zur Vermessung des Schwerefeldes (2011 bis 2012) und vor allem der amerikanische Lunar Reconnaissance Orbiter, der sich seit Juni 2009 in einer niedrigen polaren Umlaufbahn befindet und den Mond in hoher Auflösung fotografiert und topographisch vermisst.