Er wordt altijd gezegd dat de maan geen atmosfeer heeft. Dat is niet helemaal waar. Er is wel degelijk een flinterdun laagje atomen dat zich in een ring om het hemellichaam bevindt. Nu is meer bekend geworden over de oorsprong ervan.
Officieel is het geen atmosfeer maar een exosfeer. Op aarde is dat de buitenste schil, waar bijvoorbeeld satellieten ronddraaien. De laag is op 500 tot 1000 kilometer hoogte en vormt de overgang naar de ruimte.
Analyse Apollo-monsters
Maar hoe kan het dat er op de maan een exosfeer is, terwijl de zwaartekracht veel te gering is om luchtmoleculen vast te houden? Volgens wetenschappers van het MIT en de University of Chicago komt dat voornamelijk door iets dat ze ‘impactverdamping’ noemen. De maan is in zijn 4,5 miljard jaar lange geschiedenis continu gebombardeerd door meteorieten. Je kunt je voorstellen dat door de impact het stof op de grond omhoog komt. Daarbij verdampten bepaalde atomen, waarvan sommigen rechtstreeks de ruimte ingingen, terwijl anderen boven de maan bleven hangen. Daardoor kon een ijle atmosfeer ontstaan, die constant werd gevoed doordat meteorieten bleven inslaan. Dat concluderen de onderzoekers op basis van analyse van maangrondmonsters die door astronauten tijdens de bekende Apollomissies zijn verzameld.
Het definitieve antwoord
“We komen met het definitieve antwoord: impactverdamping is het belangrijkste proces dat de maanatmosfeer heeft gevormd”, vertelt hoofdonderzoeker Nicole Nie van MIT. “De maan is bijna 4,5 miljard jaar oud en in die periode is het oppervlak steeds weer gebombardeerd door meteorieten. We tonen aan dat uiteindelijk een dunne atmosfeer een stabiele toestand kon bereiken, omdat die continu werd aangevuld door kleine inslagen op de hele maan.”
Zonnewinden en meteorietinslagen
In 2013 stuurde NASA een orbiter richting de maan om op afstand informatie te verzamelen over de dunne atmosfeer, de oppervlaktecondities en eventuele omgevingsinvloeden op het maanstof. Wetenschappers hoopten dat de metingen twee processen zouden bevestigen die kunnen verklaren hoe de maanatmosfeer tot stand kwam: impactverdamping en iets dat ‘ionensputteren’ heet. Dit laatste is een fenomeen waarbij de zonnewind, die geladen deeltjes van de zon door de ruimte vervoert, het maanoppervlak raakt. Als de deeltjes het maanoppervlak bereiken, kunnen ze hun energie overdragen aan de atomen in de bodem en die atomen gaan dan zogezegd sputterend de lucht in.
“Op basis van de meetgegevens leek het erop dat beide processen een rol spelen,” zegt Nie. “Ze toonden bijvoorbeeld aan dat er tijdens meteorietregens meer atomen in de atmosfeer zijn, wat betekent dat inslagen een effect hebben. Maar ze bewezen ook dat als de maan wordt afgeschermd van de zon, zoals bij een zonsverduistering, er veranderingen in de atmosfeer zijn, wat betekent dat de zon eveneens impact heeft. Dus de resultaten waren niet helemaal duidelijk.”
Piepkleine maankorrels
Om de oorsprong van de maanatmosfeer nauwkeuriger vast te stellen, keek Nie naar tien monsters van maangrond, die elk slechts zo’n 100 milligram wogen.
Nie wilde eerst twee elementen uit elk monster isoleren: kalium en rubidium. Beiden zijn ‘vluchtig’, wat betekent dat ze gemakkelijk verdampen door inslagen. Elk element kan uit verschillende isotopen bestaan. Een isotoop is een variant van hetzelfde element, dat uit hetzelfde aantal protonen maar een iets ander aantal neutronen bestaat. Kalium kan bijvoorbeeld bestaan als een van drie isotopen, elk met een neutron meer en iets zwaarder dan de vorige. Evenzo zijn er twee isotopen van rubidium.
Het team redeneerde dat als de maanatmosfeer bestaat uit atomen die zijn verdampt en in de lucht zijn beland, lichtere isotopen gemakkelijker omhooggaan, terwijl zwaardere isotopen waarschijnlijker terugzakken naar de grond. Bovendien dachten ze dat impactverdamping en ionensputteren zouden leiden tot heel verschillende isotopenverhoudingen in de bodem. De specifieke samenstelling van lichte en zware isotopen in de bodem, voor zowel kalium als rubidium, zou dan duidelijk maken welk proces nu echt bijdraagt aan de oorsprong van de maanatmosfeer.
Poedertje oplossen
Zo gezegd, zo gedaan: de onderzoekers maalden eerst de monsters tot een fijn poeder om het daarna op te lossen in zuren en de isotopen met kalium en rubidium te scheiden. Met behulp van een massaspectrometer konden de verschillende isotopen van kalium en rubidium worden gemeten. De bodemmonsters bleken zoals verwacht vooral zware isotopen te bevatten. Door beide elementen te vergelijken concludeerden de onderzoekers dat vooral impactverdamping de atomen de lucht in bracht en de maanatmosfeer heeft gevormd.
Belangrijke ontdekking
“Met impactverdamping blijven de meeste atomen in de maanatmosfeer, terwijl bij ionensputteren veel atomen de ruimte in worden geslingerd”, legt Nie uit. Naar schatting is minimaal 70 procent van de maanatmosfeer een product van meteorietinslagen, terwijl de resterende 30 procent een gevolg is van de zonnewind.
Cambridge-onderzoeker Justin Hu, die niet bij de studie betrokken was, reageert: “Deze ontdekking gaat verder dan een beter begrip van de geschiedenis van de maan. Dergelijke processen kunnen namelijk ook plaatsvinden en zelfs belangrijker zijn op andere manen en asteroïden.”
“Zonder deze Apollo-monsters zouden we geen precieze gegevens hebben om dingen in meer detail te begrijpen”, zegt Nie. “Het is dus belangrijk om monsters van de maan en andere hemellichamen terug te brengen naar de aarde, zodat we een duidelijker beeld kunnen schetsen van de vorming en evolutie van het zonnestelsel.”
