Mond

Ammonium
Kohlendioxid

1979 wurde der erste Mondmeteorit in der Antarktis entdeckt, dessen Herkunft vom Mond allerdings erst einige Jahre später erkannt wurde. Mittlerweile kennt man noch mehr als zwei Dutzend weitere. Diese bilden eine komplementäre Informationsquelle zu den Gesteinen, die durch die Mondmissionen zur Erde gebracht wurden: Während man bei den Apollo- und Lunaproben die genaue Herkunft kennt, dürften die Meteorite, trotz der Unkenntnis ihres genauen Herkunftsortes auf dem Mond, repräsentativer für die Mondoberfläche sein, da einige aus statistischen Gründen auch von der Rückseite des Mondes stammen sollten.

Menschen auf dem Mond

Im Rahmen des kalten Kriegs unternahmen die USA und die UdSSR in den 1960ern einen Anlauf zu bemannten Mondlandungen, die jedoch nur von den USA realisiert wurden. Am 20. Juli 1969 setzte mit Neil Armstrong der erste von 12 Astronauten im Rahmen des Apollo-Projekts seinen Fuß auf den Mond, wegen der hohen Kosten wurde das Programm nach sechs erfolgreichen Missionen 1972 eingestellt. Während des ausgehenden 20. Jahrhunderts wurde immer wieder über eine Rückkehr zum Mond und die Einrichtung einer ständigen Mondbasis spekuliert, aber erst durch Ankündigungen der US-Präsidenten George W. Bush und der ESA Anfang 2004 scheinen sich konkrete Pläne abzuzeichnen. Aufgrund der hohen Kosten bestehen jedoch noch immer Zweifel an der Realisierung.

Bahn und Rotation des Mondes

Scheinbare Bewegung von der Erde aus gesehen

Von der (rotierenden) Erdoberfläche aus betrachtet, umkreist der Mond die Erde von Osten nach Westen auf einer Bahn, die um 5,1 Grad gegen die Sonnenbahn geneigt ist. Seine scheinbare Bewegung ähnelt damit der der Sonne; sie dauert etwa 24 Stunden und 50 Minuten. Der Zeitpunkt des Mondauf- und -untergangs ist damit jeden Tag fast eine Stunde später. In 29 Tagen geht der Mond 28 Mal auf. Für einen Beobachter auf der Nordhalbkugel steht der Mond (wie auch die Sonne) an seinem höchsten Bahnpunkt im Süden, für einen Beobachter auf der Südhalbkugel im Norden. In Äquatornähe kann man den Mond an seinem höchsten Punkt im Zenit sehen.

Mondbahn

Die Bahn des Mondes um die Erde ist eine Ellipse der Exzentrität 0,055; die große Halbachse misst 384.400 Kilometer. Den erdnächsten Punkt der Bahn nennt man Perigäum, den erdfernsten Apogäum. Die Durchgänge des Mondes durch die Ekliptik nennt man Mondknoten, wobei der aufsteigende Knoten den Eintritt in die Nord-, der absteigende den in die Südhemisphäre beschreibt.

Der Mond umläuft zusammen mit der Erde die Sonne, durch die Bewegung um die Erde pendelt der Mond jedoch um eine gemeinsame Ellipsenbahn. Die Variation der Gravitation während dieser Pendelbewegung führt zusammen mit geringeren Störungen durch die anderen Planeten zu Abweichungen von einer exakten Keplerellipse um die Erde.

• Das Perigäum umläuft die Erde direkt mit einer Periode von 8,85 Jahren.
• Die Mondknoten umlaufen die Erde aufgrund einer Präzessionsbewegung retrograd, also gegen die Umlaufrichtung des Mondes, mit einer Periode von 18,61 Jahren. Sie bewirken daher eine schwache Modulation der Erdpräzession mit eben dieser Periode, die als Nutation bzeichnet wird.

Bahnperiode

Die Dauer eines Bahnumlaufs des Mondes (Monat) kann man nach verschiedenen Kriterien festlegen, die jeweils unterschiedliche Aspekte abdecken.

• Nach einem siderischen Monat (27,32 d) nimmt der Mond wieder die gleiche Stellung zu den Fixsternen ein.
• Nach einem synodischen Monat (29,53 d; Periode der Mondphasen) erreicht der Mond wieder die gleiche Stellung zur Erde.
• Einen drakonitischen Monat (27,2122 d) benötigt er, um wieder durch den gleichen Knoten seiner Bahn zu laufen; er ist wichtig für die Sonnen- und Mondfinsternisse.
• Einen anomalistischen Monat (27,555 d) benötigt der Mond von einem Perigäumdurchgang zum nächsten.

Mondphasen

Das Aussehen des Mondes variiert im Laufe seines Bahnumlaufs und durchläuft die Mondphasen

Die Mondphasen beginnend mit Neumond

• Neumond - der Mond steht zwischen der Sonne und der Erde
• zunehmender Mond (abends sichtbar)
• Vollmond - die Erde steht zwischen der Sonne und dem Mond
• abnehmender Mond (morgens sichtbar)

Mondrotation

Durch die Gezeitenwirkung, die durch die Gravitation der Erde entsteht, hat der Mond seine Rotation der Umlaufzeit (siderischer Monat) angepasst (gebundene Rotation), das heißt bei einem Umlauf dreht er sich einmal um die eigene Achse. Daher ist von der Erde aus immer die selbe Seite zu sehen. Die Rückseite des Mondes konnte 1959 erstmals durch Raumsonden beobachtet werden.

Wegen der gebundenen Rotation würde ein Beobachter auf dem Mond die Erde immer an der selben Stelle des Himmels sehen (abgesehen von leichten Schwankungen, die durch Librationen verursacht sind). Die Erde geht also niemals "auf" oder "unter". Ein Beobachter auf der Mondrückseite kann die Erde dagegen niemals sehen. Wegen der fehlenden Atmosphäre ist der Mondhimmel nicht blau, sondern schwarz, und die Sterne sind auch am Tag sichtbar. Die Erde erscheint als bläuliche Scheibe, fast viermal größer als der Mond von der Erde aus. Sie rotiert (in knapp 24 Stunden) und durchläuft Phasen, die den Mondphasen entsprechen und diesen entgegengesetzt sind. Bei Neumond herrscht "Vollerde" und bei Vollmond "Neuerde".

Die Sonne wandert vom Mond aus gesehen sehr langsam über den Sternenhimmel. Von Sonnenaufgang bis zum Höchststand der Sonne dauert es eine Woche, und von dort eine weitere Woche bis zum Sonnenuntergang, worauf eine 14-tägige Nacht folgt. Ein Tag-Nacht-Zyklus auf dem Mond dauert somit einen Monat.

Librationen

Die Bahnbewegung des Mondes führt zu geometrischen Librationen, die bewirken, dass man von der Erde 59 Prozent der Mondoberfläche sehen kann. Die Ursachen hierfür sind im Einzelnen:

• Die Rotationsachse des Mondes ist um 6,7° gegen seine Bahnebene geneigt. Dies führt zu einer Libration in Breite, so dass man etwas über die Mondpole "hinausschauen" kann.
• Die Rotation des Mondes bleibt während seines Bahnumlaufs konstant, während seine Bahngeschwindigkeit mit dem Abstand zur Erde variiert. Dies führt zu einer Libration in Länge von etwa 7,6° - man kann dem Mond etwas "hinter die Ohren" schauen.
• Die Parallaxe des Mondes führt zu einer täglichen Libration von ± 57 Bogenminuten, da man durch die Eigendrehung der Erde morgens und abends jeweils einen etwas anderen Blickwinkel auf den Mond hat.

Es gibt auch eine physische Libration des Mondes, die durch Abweichungen von der exakten Kugelgestalt hervorgerufen wird. Sie ist jedoch deutlich kleiner als die geometrische Libration und deshalb zu vernachlässigen.

Finsternisse

Finsternisse treten auf, wenn Sonne, Erde und Mond auf einer Linie liegen, d. h. nur bei Vollmond oder Neumond.

Mondfinsternis

Bei einer Mondfinsternis, die nur bei Vollmond auftreten kann, steht die Erde zwischen Sonne und Mond. Sie kann auf der gesamten Nachtseite der Erde beobachtet werden und dauert maximal 3 Stunden 40 Minuten. Man unterscheidet

• totale Mondfinsternis, bei welcher der Mond völlig in den Erdschatten wandert. Die Totalität dauert höchstens 100 Minuten. Betrachtet man die geometrischen Verhältnisse bei einer totalen Mondfinsternis, so sollte der Mond im Kernschatten der Erde liegen, der sich theoretisch knapp 1,4 Millionen Kilometer in den Raum erstrecken sollte, tatsächlich aber wegen der starken Streuung durch die Erdatmosphäre nur etwa 250.000 Kilometer weit reicht. Der Mond wird deshalb auch bei totalen Finsternissen nicht völlig verdunkelt. Da die Erdatmosphäre die blauen Anteile des Sonnenlichts stärker streut als das rote, erscheint der Mond bei totalen Finsternissen als dunkle rotbraune Scheibe.
• partielle Mondfinsternis, bei der nur ein Teil des Mondes von der Erde abgeschattet wird, das heißt ein Teil des Mondes bleibt während des gesamten Verlaufs der Finsternis sichtbar.

Vom Mond aus gesehen stellt sich eine Mondfinsternis als Sonnenfinsternis dar. Dabei verschwindet die Sonne hinter der schwarzen Erdscheibe.

Sonnenfinsternis

Bei einer Sonnenfinsternis, die nur bei Neumond auftreten kann, steht der Mond zwischen Sonne und Erde. Sie kann nur in den Gegenden beobachtet werden, die den Kern- oder Halbschatten des Mondes durchlaufen. Man unterscheidet:

• totale Sonnenfinsternis, bei der der Mond die Sonnenscheibe einige Minuten lang vollständig bedeckt und die Erde den Kernschatten (Umbra) des Mondes durchläuft;
• partielle Sonnenfinsternis, bei der der Mond die Sonnenscheibe nicht vollständig bedeckt; der Beobachter befindet sich dabei im Halbschatten (Penumbra) des Mondes.
• ringförmige Sonnenfinsternis, wenn der Mond durch zu große Entfernung die Sonnenscheibe nicht ganz abdeckt.

Sarosperiode

Bereits den Chaldäern war (um ca. 1000 v. Chr. ?) bekannt, dass sich Finsternisse nach einem Zeitraum von 18 Jahren und 11 Tagen, der Sarosperiode, wiederholen. Nach 223 synodischen bzw. 242 drakonitischen Monaten besteht wieder fast die selbe Stellung von Sonne, Erde und Mond zueinander, so dass sich eine Finsternisstellung nach 18 Jahren 11,33 Tagen erneut ergibt.

Die Ursache dieser Periode liegt darin begründet, dass bei einer Finsternis sowohl die Sonne als auch der Mond nahe der Knoten der Mondbahn liegen müssen. Thales hat diese Periode, die er bei einer Orientreise kennenlernte, für seine Finsternisprognose 585 v. Chr. benützt. Durch sie konnten die Griechen die militärisch überlegenen Perser besiegen.

Selenologie und Selenografie

der Mond am 30. Dezember 2004

Die Selenologie oder "Geologie des Mondes" beschäftigt sich mit seiner Entstehung, seinem Aufbau und seiner Entwicklung sowie mit der Entstehung der beobachteten Strukturen und der dafür verantwortlichen Prozesse, während die Aufgabe der Selenografie in der Erstellung von Mondkarten besteht.

Entwicklung des Mondes

Das heute weithin anerkannte Modell zur Entstehung des Mondes besagt, dass vor etwa 4,5 Milliarden Jahren ein Körper von der Größe des Mars nahezu streifend mit der Erde kollidierte. Dabei wurde viel Materie, vorwiegend aus der Erdkruste und dem Mantel des einschlagenden Körpers, in eine Erdumlaufbahn geschleudert, ballte sich dort zusammen und formte schließlich den Mond.

Durch den Zusammenstoß und die freiwerdende Gravitationsenergie bei der Bildung des Mondes wurde dieser aufgeschmolzen und vollständig von einem Ozean aus Magma bedeckt. Im Laufe der Abkühlung bildete sich eine Kruste aus den leichteren Mineralen aus, die noch heute in den Hochländern vorzufinden sind.

Die "junge" Mondkruste wurde bei größeren Einschlägen immer wieder durchschlagen, so dass aus dem Mantel neue Lava in die entstehenden Krater nachfließen konnte. Es bildeten sich die Maria, die erst einige hundert Millionen Jahre später vollständig erkalteten. Das sog. "Große Bombardement" endete erst vor 3,8 bis 3,2 Milliarden Jahren, nachdem die Anzahl der Meteoriteneinschläge vor etwa 3,9 Milliarden Jahren deutlich zurückgegangen war. Danach ist keine starke vulkanische Aktivität nachweisbar, doch konnten einige Astronomen vereinzelte Leuchterscheinungen beobachten.

Innerer Aufbau des Mondes

Schematischer Aufbau des Mondes (links: Vorderseite, rechts: Rückseite)

Aufbau der äußeren Schichten des Mondes; KREEP: Kalium, Rare Earth Elements (d. h. Seltene Erden), Phosphor

Unser Wissen über den Aufbau des Mondes beruht im Wesentlichen auf den Daten der vier von den Apollo-Missionen zurückgelassenen Seismometer, die diverse Mondbeben und Erschütterungen durch Meteoriteneinschläge aufzeichneten, sowie den Kartierungen der Oberfläche, des Gravitationsfeldes und der mineralischen Zusammensetzung durch die Clementine- und die Lunar Prospector-Mission.

Der Mond besitzt eine 70 (an der Mondvorderseite) bis 150 km (Rückseite) dicke Kruste, die von einer mehrere Meter dicken Regolithschicht bedeckt ist. Darunter liegt ein fester Mantel aus Basaltgesteinen. Es gibt Anzeichen für eine Unstetigkeitsfläche in 500 Kilometer Tiefe, an der ein Wechsel der Gesteinszusammensetzung vorliegen könnte. Der 200 bis 400 Kilometer große eisenhaltigen Kern dürfte Temperaturen um 1600 Grad Celsius aufweisen.

Die gebundene Rotation des Mondes hat auch Einflüsse auf Form und inneren Aufbau. Der Mond ist in Richtung Erde lang gezogen und sein Massenschwerpunkt liegt etwa 2 Kilometer näher zur Erde als sein geometrischer Mittelpunkt.

Mondbeben

Passives Seismisches Element (PSE) (Apollo 11, NASA)

Die zurückgelassenen Seismometer der Apollomissionen registrieren etwa 500 Mondbeben pro Jahr. Die Beben sind im Vergleich zu irdischen Beben sehr schwach, das stärkste erreichte eine Stärke von knapp 5 auf der Richterskala, die meisten liegen aber bei einer Stärke von 2. Die seismischen Wellen der Beben können ein bis vier Stunden lang verfolgt werden, sie werden im Mondinneren also nur sehr schwach gedämpft.

Mehr als die Hälfte der Beben entstehen in einer Tiefe von 800 bis 1000 Kilometer und weisen Häufigkeitsspitzen beim Apogäum- und Perigäum-Durchgang auf, das heißt alle 14 Tage. Auch sind Beben aus der oberflächennahen Region des Mondes bekannt. Die Ursache liegt darin, dass sich der Aufbau des Mondes dem Mittelwert der durch die Erde verursachten Gravitation angepasst hat. Durch die Beben werden die inneren Spannungen abgebaut, die am erdnächsten und erdfernsten Punkt der Mondbahn ihr Maximum erreichen. Der Ursprung der Beben verteilt sich nicht gleichmäßig über eine komplette Mantelschale, sondern die meisten Beben entstehen an nur etwa 100 Stellen, die jeweils nur wenige Kilometer groß sind. Der Grund für diese Konzentration ist noch nicht bekannt.

Mascons

Das Gravitationsfeld des Mare Serenitatis (unten) sowie die Topographie (oben), das Mascon ist im Zentrum deutlich zu erkennen (NASA)

Durch ungewöhnliche Einflüsse auf die Bahnen der Lunar-Orbiter-Missionen erhielt man Ende der 1960er erste Hinweise auf Schwereanomalien, die man Mascons (Mass concentrations, Massenkonzentrationen) nannte. Durch Lunar Prospector wurden diese Anomalien näher untersucht, sie befinden sich meist im Zentrum der Krater und sind vermutlich durch die Einschläge entstanden. Möglicherweise handelt es sich um die eisenreichen Kerne der Impaktoren, die aufgrund der fortschreitenden Abkühlung des Mondes nicht mehr bis zum Kern absinken konnten. Nach einer anderen Theorie könnte es sich um Lavablasen handeln, die als Folge eines Einschlags aus dem Mantel aufgestiegen sind.

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