Ist das Geheimnis der „Farbpalette“ des Mondes gelüftet? Die Antwort liegt im Mondboden, den Chang'an 5 mitgebracht hat!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Keke (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Wenn wir am Nachthimmel zum Mond aufblicken, scheint sein silbrig-weißes Licht ewig zu sein. Aus Sicht der Wissenschaftler unterliegt die Oberfläche des Mondes jedoch einem langsamen und kontinuierlichen Wandel. Diese Veränderung beeinflusst nicht nur das Aussehen des Mondes, sondern enthält auch wertvolle wissenschaftliche Informationen.

Kürzlich führten chinesische Wissenschaftler eine eingehende Untersuchung der von Chang'e 5 mitgebrachten Mondbodenproben durch und enthüllten so das Geheimnis hinter dieser mysteriösen Veränderung. Diese Forschung, die gemeinsam vom Team des Akademiemitglieds Wang Weihua vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem Team des Akademiemitglieds Yang Mengfei von der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie und dem Team des Akademiemitglieds Zou Zhigang von der Universität Nanjing durchgeführt wurde, vertiefte nicht nur unser Verständnis der Entwicklung der Mondoberfläche, sondern lieferte auch wichtige Inspirationen für die zukünftige Erforschung anderer Himmelskörper.

Lassen Sie uns das Geheimnis der wechselnden „Farbe“ des Mondes lüften.

Mondglas: eine weltraumgewitterte Zeitkapsel

Unter den von Chang'e 5 mitgebrachten Mondbodenproben entdeckten Wissenschaftler eine besondere Substanz: Mondglasperlen. Diese winzigen Glasperlen sind nicht künstlich hergestellt, sondern haben ihre natürliche Form. Sie sind wie Zeitkapseln, die den Prozess der Weltraumverwitterung aufzeichnen und eine Fülle von Informationen enthalten.

Verwitterung der Mondoberfläche durch (Mikro-)Meteoriteneinschläge und Sonnenwindstrahlung

(Bildquelle: Referenz 1)

Der Entstehungsprozess dieser Glasperlen ist einzigartig. Wenn Meteoriten oder Mikrometeoriten mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Mondes treffen, schmilzt das Gestein in der Nähe des Aufprallpunkts aufgrund der enormen Energie augenblicklich. Diese geschmolzenen Gesteinsmaterialien wurden durch die Stoßwelle des Aufpralls in die Luft geschleudert und kühlten während des Fluges schnell ab, wobei sich Glaspartikel unterschiedlicher Form bildeten. Darunter befinden sich einige geschmolzene Tröpfchen, die während des Fluges mit hoher Geschwindigkeit rotieren und schließlich zu kugelförmigen oder ellipsoiden Glasperlen erstarren.

In diesen Glasperlen entdeckte das Forscherteam eine Vielzahl nanometergroßer metallischer Eisenpartikel. Diese winzigen Eisenpartikel sind der Hauptfaktor, der Veränderungen der optischen Eigenschaften der Mondoberfläche verursacht. Das Vorhandensein von Nano-Eisenpartikeln verändert die Reflexionseigenschaften der Mondoberfläche gegenüber Licht unterschiedlicher Wellenlängen und beeinflusst dadurch die „Farbe“ des Mondes, die wir beobachten.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass diese Nano-Eisenpartikel nicht gleichmäßig in den Glaskügelchen verteilt waren. Es gibt erhebliche Unterschiede in ihrer Größe, Verteilung und ihren Entstehungsmechanismen, die wichtige Hinweise zum Verständnis der Entwicklung der Mondoberfläche liefern.

Die Forscher verwendeten fortschrittliche In-situ-Elektronenmikroskopietechniken, um den Bildungsprozess von Nanoeisenpartikeln dynamisch zu beobachten. Mithilfe dieser Technik können Wissenschaftler „sehen“, wie Nanopartikel in Glaskügelchen wachsen und wandern, und so direkte experimentelle Beweise für das Verständnis ihres Entstehungsmechanismus liefern.

In den Glasperlen befinden sich Nano-Eisenpartikel in zwei unterschiedlichen Größen, eine größere und eine kleinere. Unter ihnen sind die größeren Nanoeisenpartikel (Größe im Bereich von einigen zehn Nanometern) hauptsächlich an beiden Enden der Glasperlen verteilt. Die Entstehung dieser großen Partikel steht in engem Zusammenhang mit Meteoriteneinschlägen.

Als Meteoriten mit hoher Geschwindigkeit auf die Mondoberfläche trafen, schmolzen die daraus resultierenden hohen Temperaturen und Druckverhältnisse die eisenhaltigen Mineralien und wandelten sie in elementares Eisen um. Dabei spielen zwei Mechanismen eine Rolle: Zum einen die durch den Aufprall ausgelöste unverhältnismäßige Reaktion, bei der sich eisenhaltige Oxide unter extremen Bedingungen in elementares Eisen und Sauerstoff zersetzen. Der andere ist der thermische Zersetzungsprozess, d. h. eisenhaltige Sulfide zersetzen sich bei hohen Temperaturen und es entsteht elementares Eisen.

Das neu erzeugte elementare Eisen bildet in den geschmolzenen Glasperlen rasch Keime und wächst zu größeren Nanoeisenpartikeln. Interessanterweise beobachteten die Wissenschaftler auch eine eigenartige Verteilung dieser Eisenpartikel innerhalb der Glasperlen. Während der Rotation der Glasperlen werden diese Eisenpartikel durch die Zentrifugalkraft zu den beiden Enden hin bewegt und schließlich beim Erstarren der Glasperlen an den beiden Enden „eingefroren“.

Noch überraschender ist, dass die durch diese Rotation verursachte Konvergenz manchmal ultragroße metallische Eisenpartikel mit Größen von Hunderten von Nanometern oder sogar Mikrometern erzeugt. Diese Entdeckung liefert neue Erkenntnisse zur Mikrostruktur der Mondoberfläche.

Darüber hinaus stellte das Forschungsteam fest, dass es neben den üblichen runden Glasperlen auch einige ellipsen- oder hantelförmige Glasperlen mit großen Nanoeisenvorsprüngen an beiden Enden gibt. Diese spezielle Form der Glasperlen bietet ein hervorragendes „Labor“ zur Untersuchung der Bildung und Verteilung von Nanoeisen.

Der Mond erscheint während einer Mondfinsternis rötlich

(Bildquelle: Wikipedia)

Sonnenwindstrahlung: Quelle kleiner Eisen-Nanopartikel

Darüber hinaus fanden die Wissenschaftler auf der Oberfläche der Glaskügelchen eine Vielzahl kleinerer Nano-Eisenpartikel (nur wenige Nanometer groß). Diese kleinen Partikel verteilen sich überwiegend im Bereich weniger hundert Nanometer auf der Oberfläche der Mondbodenpartikel, was genau der effektiven Injektionstiefe der Sonnenwindionen entspricht.

Der Sonnenwind ist ein kontinuierlicher Strom geladener Teilchen, der von der Sonnenoberfläche ausgestrahlt wird und hauptsächlich aus Protonen und Elektronen besteht. Diese hochenergetischen Partikel bombardieren die Mondoberfläche kontinuierlich und verursachen physikalische und chemische Veränderungen im Oberflächenmaterial. Die Studie ergab, dass innerhalb des Tiefenbereichs der Ioneninjektion durch den Sonnenwind eine offensichtliche Koexistenzbeziehung zwischen durch Strahlenschäden verursachten Poren- oder Vesikeldefekten und der Ablagerung kleiner Nanoeisenpartikel besteht. Dieses Phänomen verdeutlicht den kausalen Zusammenhang zwischen kleinen Nanopartikeln und der Sonnenwindeinstrahlung.

**Diese Entdeckung stellte das bisherige Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf den Kopf. **Die traditionelle Ansicht ist, dass Nanoeisen hauptsächlich in der amorphen Sedimentschicht auf der Oberfläche von Mondbodenpartikeln gebildet wird. Diese Studie zeigte jedoch, dass sich in der durch Bestrahlung beschädigten Schicht unterhalb der abgelagerten Schicht tatsächlich kleines Nanoeisen verteilt. Dies bedeutet, dass der Einfluss des Sonnenwindes auf die spektrale Veränderung der Mondoberfläche weitaus wichtiger und tiefgreifender ist als bisher angenommen.

Noch interessanter ist die Entdeckung der Wissenschaftler, dass das gesamte Innere eines Mondbodenpartikels mit dichten Nanoeisenpartikeln gefüllt ist, wenn seine Größe kleiner ist als die Eindringtiefe der Sonnenwindionen. Diese Beobachtung bestätigt erneut die Schlüsselrolle der Sonnenwindstrahlung bei der Bildung von Nanoeisen in kleinen Partikeln.

Entstehung und Entwicklung von Mondglasperlen und nanometallischem Eisen

(Bildquelle: Referenz 1)

Neue Erklärung für die wechselnde Farbe des Mondes

Diese Forschung widerlegt die traditionelle Ansicht, dass Nanoeisen hauptsächlich durch einen einzigen Mechanismus gebildet wird. Wissenschaftler haben bestätigt, dass Nano-Eisenpartikel unterschiedlicher Größe unterschiedliche Entstehungsmechanismen haben: Große Partikel entstehen hauptsächlich durch Meteoriteneinschläge, während kleine Partikel hauptsächlich durch die Strahlung des Sonnenwinds entstehen.

Diese Entdeckung bietet eine neue Perspektive zum Verständnis der Farbveränderungen auf der Mondoberfläche. Die Veränderungen der optischen Eigenschaften der Mondoberfläche sind tatsächlich das Ergebnis der kombinierten Wirkung dieser beiden Mechanismen. Große Nanoeisenpartikel beeinflussen hauptsächlich die Gesamtreflexion der Mondoberfläche, während kleine Nanoeisenpartikel eher die detaillierten Eigenschaften des Spektrums beeinflussen.

Durch das Verständnis der relativen Beiträge dieser beiden Mechanismen können Wissenschaftler nun genauer vorhersagen, wie die optischen Eigenschaften verschiedener Regionen des Mondes variieren. Beispielsweise könnte in den magnetischen Anomalien des Mondes der Einfluss des Sonnenwindes schwächer sein, sodass die Farbveränderungen in diesen Bereichen hauptsächlich durch Meteoriteneinschläge verursacht werden könnten. Im Gegenteil: In der Äquatorregion des Mondes, wo die Sonnenwindstrahlung stärker ist, könnte die Bildung von Nanoeisen in kleinen Partikeln bedeutender sein.

Darüber hinaus liefert diese Studie auch neue Ideen zum Verständnis der Entwicklung des Mondschattenbereichs. In dauerhaft beschatteten Gebieten können Farbänderungen aufgrund der fehlenden Sonnenwindstrahlung durch Meteoriteneinschläge dominiert werden. Dies ist von großer Bedeutung für die Erforschung der Wassereisvorkommen in den Polarregionen des Mondes.

Der Mond kurz nach dem Vollmond

(Bildquelle: Wikipedia)

Abschluss

Diese Studie enthüllt nicht nur den Mechanismus der Farbveränderung auf der Mondoberfläche, sondern vertieft auch unser Verständnis der Wechselwirkung zwischen der Weltraumumgebung und der Oberfläche von Himmelskörpern. Durch die Analyse des Entstehungsmechanismus von Nanoeisen unterschiedlicher Größe haben Wissenschaftler tatsächlich ein Weltraumverwitterungsmodell im mikroskopischen Maßstab erstellt.

Dieses Modell ist nicht nur auf den Mond anwendbar, sondern kann auch auf andere atmosphärenlose Körper wie Asteroiden und Merkur erweitert werden. Durch den Vergleich der Nanoeisenmerkmale auf den Oberflächen verschiedener Himmelskörper können wir auf die Geschichte der Weltraumumgebung schließen, der sie ausgesetzt waren, und so die Entwicklung des Sonnensystems besser verstehen.

Die Forschungsergebnisse liefern wichtige Referenzen für zukünftige Mond- und Asteroidenerkundungsmissionen und eröffnen zudem eine neue Richtung für die Weltraumwetterforschung.

Die von Chang'e-5 mitgebrachten Mondbodenproben öffnen wie eine Tür zu den Geheimnissen des Mondes. Durch detaillierte Untersuchungen an Mondglasperlen haben chinesische Wissenschaftler nicht nur das Geheimnis der Farbveränderungen des Mondes gelüftet, sondern uns auch den tiefgreifenden Einfluss der kosmischen Umgebung auf die Oberfläche von Himmelskörpern gezeigt. Mit der fortschreitenden Erforschung des Mondes und den Fortschritten in der Analysetechnologie freuen wir uns auf weitere erstaunliche Entdeckungen über den Mond und das gesamte Sonnensystem.

Quellen:

1. Laiquan Shen, Rui Zhao, Chao Chang, Jihao Yu, Dongdong Xiao, Haiyang Bai, Zhigang Zou, Mengfei Yang und Weihua Wang, Separate Auswirkungen der Bestrahlung und Auswirkungen auf die Bildung von metallischem Eisen auf dem Mond, beobachtet in Chang'e-5-Proben