Seit Milliarden Jahren prasselt Sonnenwind auf den Mond – doch die Erde schützt nur eine Seite und verändert dort sogar den Mondboden

Seit Milliarden Jahren prasselt der Sonnenwind auf den Mond. Doch seine beiden Seiten werden dabei nicht gleich getroffen: Auf der erdzugewandten Hälfte kommen die Teilchen langsamer und mit weniger Energie an. Auf der Rückseite schlagen sie härter ein und dringen tiefer in den Mondboden vor. Darauf weisen erstmals Proben von der Mondrückseite hin. China brachte sie 2024 mit der Mission Chang’e-6 zur Erde.

Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) untersuchten darin die Edelgase Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon. Ihre Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Geoscience.

Sonnenwind auf dem Mond dringt unterschiedlich tief ein

Der Mond besitzt weder eine dichte Atmosphäre noch ein globales Magnetfeld. Sonnenwindteilchen können deshalb nahezu ungebremst auf seine Oberfläche prasseln. Dabei lagern sich Wasserstoff, Helium und weitere flüchtige Stoffe in den obersten Schichten des Regoliths ab. Der Mondboden bewahrt so Spuren des Teilchenstroms über sehr lange Zeiträume.

Bisher stammten alle untersuchten Mondproben von der erdzugewandten Seite. Apollo, Luna und Chang’e-5 hatten Material aus dieser Hälfte geliefert. Chang’e-6 sammelte erstmals Boden auf der Rückseite. Die Sonde brachte insgesamt 1.935 Gramm Regolith aus dem Südpol-Aitken-Becken zurück. Für die Edelgasanalyse standen den Wissenschaftlern rund 1.000 Milligramm zur Verfügung. Sie teilten das Material in sieben Proben auf.

Laseranalyse zeigt Unterschiede im Mondstaub

Vier Teilproben erhitzten die Wissenschaftler schrittweise mit einem Laser. Drei weitere schmolzen sie vollständig auf. Bei niedrigen Temperaturen entweichen vor allem Gase aus oberflächennahen Bereichen der Staubkörner. Tief eingelagerte Bestandteile werden erst bei stärkerer Erwärmung freigesetzt. So ließ sich abschätzen, wie weit die Sonnenwindteilchen zuvor in den Mondboden eingedrungen waren.

Beim Erhitzen der Chang’e-6-Proben entwich das vom Sonnenwind stammende Xenon überwiegend erst bei hohen Temperaturen. In Chang’e-5-Material von der Mondvorderseite wurde es dagegen schon früher und in zwei Schüben freigesetzt. Laut Erstautor Xuhang Zhang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften spricht das dafür, dass Krypton und Xenon auf der Mondrückseite tiefer in den Regolith eingedrungen sind.

Die Erdmagnetosphäre bremst Teilchen kräftig ab

Die Erklärung liegt in der langen Magnethülle der Erde. Auf der sonnenzugewandten Seite bildet der Sonnenwind zunächst eine Stoßfront. Dahinter liegt die Magnetosheath, auf Deutsch meist Magnethülle oder Magnetoscheidenregion genannt. In dieser Übergangszone sinkt die Geschwindigkeit des Sonnenwinds laut Berechnungen von ungefähr 400 auf rund 200 Kilometer pro Sekunde.

Der Mond durchquert diesen Bereich zweimal während einer Umlaufbahn. Dabei erreicht der verlangsamte Sonnenwind vor allem den Landeplatz von Chang’e-5 auf der Vorderseite. Die Teilchen schlagen mit weniger Energie ein und bleiben näher an der Oberfläche der Regolithkörner. Für den Chang’e-5-Standort berechnete das Team einen Anteil von 24,94 Prozent verlangsamter Sonnenwindbestrahlung. Am Chang’e-6-Landeplatz auf der Rückseite trat dieser Effekt während der beiden Passagen nicht auf.

Edelgase speichern Spuren aus Hunderten Millionen Jahren

Auch Neon unterscheidet sich zwischen beiden Mondseiten. Das Verhältnis der Isotope Neon-20 und Neon-22 lag in den Chang’e-6-Proben bei durchschnittlich 11,34 zu 1. Dieser Wert liegt unter den Messungen aller bisher untersuchten Proben von der Mondvorderseite. Die Rückseitenproben enthalten damit relativ mehr des schwereren Isotops Neon-22.

Eine einfache Erklärung dafür fanden die Wissenschaftler nicht. Diffusion, Erosion oder das bevorzugte Herausschlagen leichterer Isotope reichen nach ihren Berechnungen nicht aus. Dafür hätten bis zu 99 Prozent des Neons verloren gehen müssen. Einen solchen Verlust ergaben die gemessenen Edelgasmengen jedoch nicht. Die Autoren vermuten deshalb ein Zusammenspiel mehrerer Prozesse oder eine bislang nicht erkannte Neonquelle.

Edelgase im Mondboden bewahren Spuren aus Millionen Jahren

Krypton und Xenon reagieren kaum chemisch und entweichen nur schwer aus dem Regolith. Sie eignen sich deshalb als langlebige Spuren früherer Sonnenwindbestrahlung. Das mittlere kosmische Bestrahlungsalter der Chang’e-6-Proben lag anhand von Xenon bei etwa 670 Millionen Jahren. Die einzelnen Teilproben unterschieden sich allerdings deutlich. Wahrscheinlich wurde das Material über lange Zeit im oberen Bereich des Mondbodens durchmischt.

Die schweren Edelgase könnten künftig helfen, frühere Grenzen der Erdmagnetosphäre zu rekonstruieren. Veränderte sich das Magnetfeld der Erde, verschoben sich vermutlich auch jene Regionen, in denen der Sonnenwind abgebremst wurde. Der Mondboden könnte solche Veränderungen über lange Zeiträume gespeichert haben.

Kurz zusammengefasst:

• Seit Milliarden Jahren trifft Sonnenwind auf den Mond, doch die Erdmagnetosphäre bremst einen Teil der Teilchen auf der erdzugewandten Seite ab.
• Chang’e-6-Proben von der Mondrückseite zeigen, dass Sonnenwindteilchen dort energiereicher einschlagen und tiefer in den Regolith eindringen.
• Krypton und Xenon im Mondboden könnten langfristig Hinweise darauf liefern, wie sich das Erdmagnetfeld und seine Wechselwirkung mit dem Sonnenwind verändert haben.

Übrigens: Während die Erdmagnetosphäre den Sonnenwind auf der Mondvorderseite abbremst, könnte sie bei schweren Sonnenstürmen selbst künstliche Unterstützung bekommen. Satelliten sollen dafür eine Plasmawolke freisetzen und die Wucht des Teilchenstroms mindern – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © ZHANG Xuhang