Der Mond
Die wissenschaftliche Erforschung des Erdmondes hat wenig Raum gelassen für die Eigenschaften, die ihm im Volksglauben zugeschrieben werden. Die Forschung ergibt das Bild eines atmosphärelosen Himmelskörpers, der eng verwandt ist mit der Erde und doch grundsätzliche Unterschiede zu ihr aufweist. Während die Erde immer noch weitgehend glutflüssig ist, ist der Mond fast völlig erstarrt und nur dunkle Gebiete (die Mare) zeugen noch davon, dass er in seiner Frühzeit ebenfalls eine bis unter die Oberfläche reichende Magmaschicht besaß. Auch wenn der Mond heute fast keine innere Dynamik mehr besitzt, hat er über die Schwerkraft einen erheblichen Einfluss auf die Erde. Er erzeugt nicht nur - zusammen mit der Sonne - die Gezeiten auf der Erde, sondern bewirkt auch eine allmähliche Abnahme der Erdrotation.
Der Mond beflügelt auch nach den Mondlandungen noch immer die Fantasie der Menschen. So planen trotz ungeklärter Transportprobleme Hotelketten schon Filialen auf dem Mond und es werden entgegen internationalem Weltraumrecht bereits Mondgrundstücke verkauft.
Der einzige natürliche Begleiter der Erde
Heute wird die Erde von etwa 10 000 künstlichen Satelliten sowie deren Überresten umkreist. Der einzige natürliche (und bis vor gut 40 Jahren einzige) Satellit der Erde ist der Mond. Aus seinem Durchmesser von etwa 3 500 Kilometern und aus den Parametern seiner seit Jahrhunderten genau vermessenen Bahn ist ebenso lange bekannt, dass die Mondmasse etwa 1/81 der Erdmasse beträgt. Daraus folgt eine mittlere Dichte des Mondes von 3,34 Gramm pro Kubikzentimeter, die derjenigen von irdischem Oberflächengestein entspricht. Der Mond besteht überwiegend aus chemischen Verbindungen, wie zum Beispiel Silikaten, und nur zu einem geringen Teil aus schweren Elementen wie Eisen. Auch aufgrund der vergleichsweise ähnlichen Massen von Erde und Mond wird das System Erde - Mond mitunter als »Doppelplanet« bezeichnet. (Im Unterschied zum Erde-Mond-System ist der Planet Jupiter über 12 800-mal schwerer als sein größter Satellit Ganymed.)
Da sich der Mond in derselben Zeit, die er für eine Erdumkreisung benötigt, einmal um seine eigene Achse dreht, weist er uns im Wesentlichen immer dieselbe Seite zu - man bezeichnet dies als gebundene Rotation. Allerdings können wir dennoch etwas mehr als nur eine Hälfte der Mondoberfläche beobachten, und zwar aufgrund eines geometrischen Effekts: Befindet sich der Mond im erdfernsten Punkt seiner elliptischen, fast kreisförmigen Umlaufbahn, dem Apogäum, so bewegt er sich aufgrund der himmelsmechanischen Gesetze etwas langsamer als in seinem erdnächsten Punkt, dem Perigäum. Die Rotationsgeschwindigkeit um seine Achse bleibt hingegen konstant. Dies führt zur so genannten Libration, einer scheinbaren Pendelbewegung des Mondes um seine Achse, durch die wir - zu unterschiedlichen Zeiten - von der Erde aus insgesamt fast zwei Drittel der Mondoberfläche beobachten können. Die ersten Bilder der Mondrückseite wurden jedoch erst durch unbemannte Raumsonden ermöglicht.
Die Selenologie (nach Selene, dem Namen der griechischen Mondgöttin; die römische Mondgöttin ist Luna) ist die Geologie des Mondes, also die Wissenschaft von Vorkommen und Entstehung des Mondgesteins.
Bereits mit bloßem Auge wird deutlich, dass es auf dem Mond mindestens zwei unterschiedliche Geländetypen gibt. Diese bezeichnete man aufgrund ihrer hellen beziehungsweise dunklen Farbe historisch als Hochländer oder Terrae (lateinisch terra, »Erde«) beziehungsweise Meere oder Mare (lateinisch mare, »Meer«; der lateinische Plural maria wird nur noch selten gebraucht). Letztere Bezeichnung ist insofern irreführend, als es kein Wasser auf dem Mond gibt, selbst die Gesteinsproben enthalten kaum eingelagertes Wasser. Mare sind tief liegende Becken, die in der Frühzeit der Mondentwicklung mit Magma überflutet wurden.
Im Gegensatz zur Vorderseite, auf der viele helle Hochländer sowie dunkle Mare mit bloßem Auge auf dem Mond erkennbar sind, zeigt die Mondrückseite nur wenige und kleine dunkle Gebiete; sie besteht anscheinend nur aus Hochland. Auf der Mondrückseite findet sich zwar auch ein großes Becken, das mit einem Durchmesser von fast 2 500 Kilometern den Mare der Vorderseite durchaus gleichkommt, es wurde allerdings nicht von Magma überflutet (und erscheint deshalb hell).
Beide Geländearten sind von einer dicken Schicht aus Gesteinstrümmern und Staub, dem Regolith, bedeckt. Die Trümmer sind durch Meteoriteneinschläge aus dem lokal vorkommenden Mondgestein entstanden und in der Umgebung des Einschlagorts verteilt worden. Daher müssen die Helligkeitsdifferenzen auf einen unterschiedlichen mineralischen Aufbau der Gesteine zurückzuführen sein.
Schon die größere Anzahl von Meteoritenkratern deutet an, dass die Terrae zu den älteren Mondformationen gehören, während die Mare jüngeren Datums sein müssen. Diese Annahme wird durch Laboranalysen des Gesteins bestätigt. In ihnen werden unter anderem die Mengenverhältnisse verschiedener chemischer Elemente sowie von deren Isotopen gemessen, wobei die Resultate mit entsprechenden Messungen an irdischen Gesteinen, an Meteoriten sowie mit Bodenproben vom Mars verglichen wurden.
Dabei zeigt sich eine große chemische Ähnlichkeit zwischen lunarem und irdischem Gestein. Anders als bei der Erde sind die Mondgesteine allerdings mindestens 3 Milliarden Jahre alt. Das Alter der Hochlandgesteine des Mondes liegt zwischen 3,5 und 4,6 Milliarden Jahren, das der Mare bei 3 bis 3,8 Milliarden Jahren. Dies lässt darauf schließen, dass seitdem keine geologische Umformung der Mondoberfläche mehr stattgefunden hat. Auf der Erde sind dagegen die ältesten Oberflächengesteine kaum älter als etwa 3,5 Milliarden Jahre und an den mittelozeanischen Rücken entsteht auch heute noch neues Krustengestein. Ursache dieser Diskrepanz ist das Fehlen jeglicher Dynamik im Mondinneren, während auf der Erde die Plattentektonik kontinuierlich Gesteine ins Erdinnere transportiert, aufschmilzt und mineralisch verändert.
Die Entstehung des Mondes
Von mehreren konkurrierenden Annahmen zur Entstehung des Mondes bietet die streifende Kollision eines marsgroßen Himmelskörpers mit der Protoerde die besten Voraussetzungen, um die unterschiedlichen Messergebnisse zu vereinen. Demnach entstanden Erde und Mond zusammen mit den anderen Planeten vor etwa 4,6 Milliarden Jahren relativ nah beieinander durch die Zusammenlagerung von Gas und Staub zu so genannten Planetesimalen - das sind kleine Körper des Urplanetensystems aus kondensierter Materie. Radioaktiver Zerfall und bei der Zusammenballung frei werdende Gravitationsenergie heizten beide Körper stark auf, sodass sie weitgehend glutflüssig waren. Dabei sanken schwerere chemische Elemente in die Tiefe, die leichteren stiegen zur Oberfläche der Planetenvorläufer oder Protoplaneten auf. Man nennt diesen Prozess Differenziation. Als der Protomond etwa die Größe des Mars erreicht hatte, kollidierten beide Protoplaneten. Dabei wurde der äußere Mantel des Protomondes, der aus leichterem Gestein bestand, weitgehend abgestreift. Der Kern stürzte in die Protoerde zurück, verschmolz mit ihr und sank in ihr Zentrum, wo er den schweren Erdkern vergrößerte. Der Teil der Mondmantelmaterie, der in Umlaufbahnen um die Erde gelangt war, lagerte sich neu zusammen und bildete den heutigen Mond. Dieser heizte sich dabei erneut auf, sodass erneut eine Differenziation der Elemente stattfinden konnte. Sie führte zu den gemessenen Dichteunterschieden zwischen Kern und Oberfläche des Mondes. Seitdem kühlte der Mond allmählich aus. Etwa vor 3 Milliarden Jahren war die erstarrte Kruste so mächtig geworden, dass bei Meteoriten- und Kometeneinschlägen kein Magma mehr austrat, um die Krater zu verfüllen; auf diese Weise erklärt sich das Mindestalter der Maregesteine.
Innerer Aufbau
Erstaunlich ist die oben erwähnte Ungleichverteilung der dunklen, von erstarrtem Magma aufgefüllten Maregebiete zwischen Vorder- und Rückseite des Mondes. Der Grund hierfür wird bei einem Blick in das Mondinnere deutlich, das mithilfe von Seismographen untersucht wurde.
Die Seismographen (die während der Apollo-Mission auf dem Mond aufgestellt wurden) zeichneten Mondbeben auf, die sowohl durch Einschläge an der Oberfläche als auch durch Prozesse im Inneren des Mondes hervorgerufen wurden. Wie auf der Erde gibt es Primär- und Sekundärwellen; Primärwellen sind Druckwellen, die durch das Mondinnere laufen, Sekundärwellen sind Scherwellen. Aus Laufzeit- und Intensitätsunterschieden der registrierten Beben lassen sich Ort und Tiefe der Bebenherde ableiten. Ein wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen war die Erkenntnis, dass im Mondgestein kaum Wasser enthalten sein kann, denn die Mondbebenwellen werden wesentlich schwächer gedämpft als vergleichbare Vorgänge auf der Erde, die große Wasservorräte enthält.
Sprunghafte Dichteänderungen im Inneren des Mondes führen zu Reflexion und Brechung der Mondbebenwellen, die bei der Analyse der seismographischen Signale bestimmt werden können. Die Messergebnisse zeigen, dass der Mond eine unterschiedlich dicke Kruste besitzt, deren Mächtigkeit auf der Vorderseite etwa 60 Kilometer, auf der Mondrückseite dagegen etwa 150 Kilometer beträgt. Damit ist das Verhältnis von Krustenmächtigkeit zu Gesamtradius beim Mond etwa zwölfmal höher als bei der Erde. Unterhalb dieser Kruste befindet sich eine erstarrte Gesteinsschicht, die Lithosphäre, die bis in eine Tiefe von etwa 1 000 Kilometern reicht. Darunter vermutet man eine zumindest teilweise aufgeschmolzene Gesteinsschicht von etwa 300 Kilometer Dicke. Sie geht in einen relativ kleinen Kern über, dessen Masse nur 4 % der Mondmasse und dessen Radius zwischen 200 und 300 Kilometer beträgt. Es wird also insgesamt höchstens ein Drittel des Mondradius von wenigstens teilweise geschmolzenem Gestein eingenommen, während dies auf der Erde bei über 90 % des Radius der Fall ist.
Der Mond weicht darüber hinaus von der Kugelgestalt ab, ist also deutlich verformt. Sein Massenzentrum und sein geometrisches Zentrum sind leicht in Richtung Erde verschoben. Zusammen mit der dünneren Kruste auf der Vorderseite bedeutet dies, dass in der Frühzeit des Mondes, als die Kruste noch nicht vollständig erstarrt war, das Magma die Becken erreichen und überfluten konnte, während es nicht mehr bis zu entsprechenden Becken auf der Mondrückseite steigen konnte.
Eine Besonderheit der Mare sind die Mascons. Dabei handelt es sich um lokale Schwereanomalien, die durch Dichteunterschiede im Gestein hervorgerufen werden. Entsprechende Anomalien kennt man auch von der Erde. Hier werden sie von Gebirgen oder Tiefseegräben verursacht. Die Kruste unter irdischen Gebirgen ist mit etwa 50 Kilometern fast doppelt so dick wie die restliche Erdkruste, während sie unter den Ozeanen nur etwa fünf Kilometer dick ist. Während Tiefseegräben auf der Erde eine lokale Verringerung der Schwerkraft hervorrufen, erhöht sich über den lunaren Mascons die Schwerkraft (in beiden Fällen um winzige Beträge). Beim Mond treffen zwei Effekte zur Erzeugung der Mascons zusammen: Einerseits liegt unter ihnen die Grenze zwischen Kruste und Mantel mit 40 Kilometern Tiefe überdurchschnittlich hoch, andererseits hat das Magmagestein, das die Mare überflutete, eine größere Dichte als das Gestein der Terrae.
Gezeitenreibung und Tageslänge
Erde und Mond werden nicht nur wegen ihrer Ähnlichkeit und engen Nachbarschaft als »Doppelplanet« bezeichnet, sondern auch, weil sie sich ständig gegenseitig beeinflussen. Deutlichster Ausdruck dieser gegenseitigen Beeinflussung sind die Gezeiten, unmittelbar zu erkennen am Auftreten von Ebbe und Flut. Ursache der Gezeiten ist die unterschiedlich starke Anziehung von Vorderseite und Rückseite der Erde durch den Mond. (Zu einem geringeren Anteil spielt auch die Anziehungskraft der Sonne bei der Entstehung der Gezeiten eine Rolle.) Von der Erde aus gesehen ergibt sich auf der dem Mond zugewandten Seite eine zum Mond weisende, auf der entgegengesetzten Seite eine vom Mond fortweisende Kraft. Diese Kräfte verformen die Oberfläche der Ozeane zu zwei »Flutbergen«, die zweimal am Tag, während die Erde unter ihnen hindurch rotiert, besonders an den Küsten der offenen Meere als periodisches Ansteigen des Wasserspiegels (Flut) in Erscheinung treten, im Wechsel mit den »Ebbetälern«, einem periodischen Absinken des Wasserspiegels (Ebbe).
Durch die Wanderung des Mondes um die Erde verschieben sich Ebbe und Flut täglich um etwa 50 Minuten, lokale geographische Besonderheiten können zu weiteren Abweichungen führen; so tritt das Hochwasser auf den Ostfriesischen Inseln früher als an der Elbmündung und dort früher als in Hamburg ein. Nicht nur im Wasser, auch im Gestein gibt es Gezeiten, die Verformung des Erdbodens ist jedoch viel kleiner und beträgt nur etwa 30 Zentimeter.
Durch die Drehung der Erde um ihre Achse werden die »Flutberge« immer ein wenig von der Verbindungslinie Erde-Mond fortbewegt. Die Anziehungskraft des Mondes versucht - anschaulich betrachtet - die »Flutberge« auf die Achse zurückzuziehen und bremst so die Rotation der Erde geringfügig ab, während umgekehrt die »Flutberge« den Mond an sich zu ziehen versuchen und ihn so beschleunigen. Dies führt sowohl zu einer messbaren Bremsung der Erdrotation als auch zu einer Beschleunigung des Mondumlaufs. Daneben reibt das Wasser durch die Gezeiten ständig am Meeresboden, was ebenfalls zu einer Abbremsung der Erdrotation führt; insgesamt nimmt die Tageslänge auf der Erde derzeit etwa 1,5 Millisekunden pro Jahrhundert zu. Indem die Umlaufgeschwindigkeit des Mondes wächst, entfernt er sich von der Erde; der Grund hierfür sind grundlegende physikalische Erhaltungssätze. Die Zunahme des Abstands der Erde vom Mond konnte anhand von Radarreflektoren (die während der Apollo-Mission auf dem Mond installiert wurden) genau gemessen werden: Die Zunahme beträgt etwa 3 Zentimeter pro Jahr. Aus beiden Effekten wird deutlich, dass Erde und Mond früher einmal enger zusammenstanden und dass die Tageslänge in frühester Erdgeschichte einmal kürzer war als heute; vor 900 Millionen Jahren betrug die Tageslänge beispielsweise nur etwa 18 Stunden. In ferner Zukunft wird diese Abbremsung zum Stillstand kommen, wenn die Tageslänge der Erde der Umlaufzeit des Mondes entspricht, also ein Tag so lang wie ein Monat ist. Dann wird der Mond auf der einen Hälfte der Erde immer an derselben Position am Himmel zu sehen sein - auf der anderen Hemisphäre dagegen nie.
Die Erforschung des Mondes
Die direkte Erforschung des Mondes begann Anfang der 1960er-Jahre durch unbemannte sowjetische und amerikanische Raumsonden, von denen einige auf dem Mond landeten. Sonden der Luna- und der Surveyor-Serien führten spektroskopische Analysen des Mondbodens durch, aus denen die Oberflächenbeschaffenheit abgeleitet wurde. Neben rein wissenschaftlichen Aspekten wurden auch Fragen berührt, die die spätere bemannte Mondlandung betrafen. Es sollte unter anderem auch geklärt werden, ob der Mond überhaupt betretbar ist. Einer der damaligen Theorien zufolge sollte die Mondoberfläche nämlich aus einer meterdicken Staubschicht bestehen, in der alle festen Körper schnell versinken würden. Wie die Mondlandungen zeigten, war dies nicht der Fall.
Bemannte Raumfahrt
Auf dem Höhepunkt des Kalten Krieges im Jahre 1961 kündigte der amerikanische Präsident J. F. Kennedy eine bemannte amerikanische Mondlandung an. Dies führte zu dem »Wettlauf zum Mond« zwischen den damaligen Weltmächten USA und UdSSR. Die gewaltigen Forschungsbemühungen beider Seiten stießen auch außerhalb der Raumfahrttechnik neue technologische Entwicklungen an, etwa im Bereich der Computertechnik und der Mikroelektronik. Beide Staaten hatten mit Fehlschlägen zu kämpfen, immer wieder war auch der Verlust von Menschenleben zu beklagen. Drei amerikanische Astronauten starben in einem Feuer, das während einer Übung in der Apollo-Kapsel ausbrach. Ein sowjetischer Kosmonaut verunglückte mit seiner Kapsel tödlich, als sich deren Landefallschirme nicht öffneten.
Verschiedene Probleme (wie auch der Tod des russischen Chefkonstrukteurs) führten dazu, dass die russische Mondrakete N 1, deren Leistungsfähigkeit mit der amerikanischen Saturn V vergleichbar war, bei allen Starttests versagte und aus Sicherheitsgründen gesprengt werden musste. Das russische Programm sah vor, einen Kosmonauten in einer einfachen Landekapsel auf dem Mond abzusetzen. Dort sollte er sich einige Stunden aufhalten und danach zur Erde zurückkehren.
In den USA baute man im Rahmen des Apollo-Programms eine umfangreiche raumfahrttechnische Infrastruktur auf, die später auf das Shuttle übertragen werden konnte. Erst recht spät entschied man sich für die dann verwendete Kombination aus der Apollo-Kapsel, dem so genannten Kommandomodul, und der Landefähre, die in der Erdumlaufbahn zusammengekoppelt wurden. Die verschiedenen Manöver wurden im Gemini-Programm erprobt und schließlich in den Mondlandungen Apollo 11 bis 17 (mit Ausnahme von Apollo 13) umgesetzt.
Die Astronauten landeten dabei sowohl in den Hochländern des Mondes als auch in den Mare. Dort installierten sie unterschiedliche Messgeräte, darunter die bereits erwähnten Seismometer und Radarreflektoren, und führten Experimente zur Erforschung des Sonnenwinds durch. Außerdem entnahmen sie Bodenproben, die sie zur Erde zurückbrachten.
Nach den Mondlandungen
Aus Kostengründen wurde das amerikanische Mondprogramm 1972 eingestellt. Zwischen 1970 und 1976 landeten noch mehrere (unbemannte) sowjetische Sonden auf dem Mond, die ebenfalls einige Kilogramm Mondgestein zur Erde transportierten. Erst 1994 startete mit der Raumsonde Clementine wieder ein amerikanisches Projekt zum Mond. Die Raumsonde, deren wissenschaftliche Nutzlast nur eine Masse von acht Kilogramm besaß, umkreiste mehrfach den Mond und kartierte die von dessen Oberfläche ausgehende Strahlung in mehreren Wellenlängenbereichen.
Eine noch genauere Kartierung, zusammen mit einer Vermessung von Schwere- und magnetischen Anomalien, stand auf dem Programm der im Januar 1998 gestarteten Raumsonde Lunar Prospector. Die Raumsonde traf wenige Tage später am Mond ein und wurde dort in 100 Kilometer Höhe in eine polare Umlaufbahn gesteuert. Nach dem Ende der offiziellen Mission im Dezember 1998 wurde die Höhe der Umlaufbahn auf etwa 30 Kilometer gesenkt, wodurch die Schwereanomalien der Mascons mit noch höherer Auflösung vermessen werden konnten. Da mittlerweile Eis in mindestens einem Krater am polaren Südpol vermutet wurde, lenkte man die Sonde in einem kontrollierten Absturz am 31. Juli 1999 auf diesen Krater. Die Sonde zerschellte wie geplant, doch die beobachtenden Radioteleskope konnten dabei keine Anzeichen von Wassereis feststellen, das durch den Absturz hätte aufgewirbelt werden sollen.
Universal-Lexikon. 2012.