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Veröffentlicht: 13.12.2012, 12:49 Uhr

Mondforschung Unser dünnhäutiger Trabant

Die beiden Grail-Sonden, die den Mond seit März dieses Jahres observieren, haben das Schwerefeld des Trabanten inzwischen präzise kartiert. Dabei hat der Mond viel von seinem Inneren preisgegeben.

© Nasa, Jpl Illustration der beiden Grailsonden. Im Hintergrund ist die Erde zu sehen.

Weil die Masse des Mondes lediglich 1,2 Prozent der Erdmasse beträgt, ist auch die Anziehungskraft an der Oberfläche des Erdtrabanten entsprechend geringer. Die ulkigen Hüpfer, mit denen sich die Apollo-Astronauten auf der Mondoberfläche fortbewegten, zeugten von der verminderten Schwerkraft. Wie bei der Erde ist aber auch das Gravitationsfeld des Mondes keineswegs homogen und gleichförmig ausgeprägt. Gebirgszüge, Krater und die riesigen Basaltflächen, die Mare, beeinflussen das Schwerefeld des Erdtrabanten ebenso wie die Gesteinsblöcke unterschiedlicher Dichte im Inneren des Mondes. Mit den beiden Grail-Sonden der Nasa hat nun eine amerikanische Forschergruppe die bisher genauesten Karten des lunaren Gravitationsfeldes erstellt. Diese enthüllen überraschende Einblicke in die Topographie unseres Trabanten.

Mondsonden im Formationsflug

Die beiden nahezu baugleichen Satelliten der Grail-Mission (“Gravity Recovery and Interior Laboratory“) umkreisen den Mond seit knapp einem Jahr. Sie fliegen in einem Abstand untereinander von einigen Dutzend Kilometern auf identischen polaren Umlaufbahnen um den Trabanten. Jede dieser waschmaschinengroßen Sonden hat einen Mikrowellensender und einen Mikrowellenempfänger an Bord. Die Geräte tauschen kontinuierlich mit Zeitzeichen versehene Funksignale untereinander aus. Aus den Laufzeiten der Signale lässt sich die Entfernung zwischen den beiden Satelliten auf wenige Mikrometer genau ermitteln. Überfliegt nun einer der beiden Satelliten eine Zone mit einer höherer Schwerkraft - beispielsweise den Rand eines der vielen Meteoritenkrater auf der Mondoberfläche -, dann zerrt die größere Anziehungskraft über dem Krater an dessen Umlaufbahn. Dadurch vergrößert sich der Abstand zur anderen Sonde um einen kleinen Betrag, was von den Mikrowellengeräten sofort registriert wird.

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Die Grail-Mission beruht auf Erfahrungen, die man mit einem Satellitenpaar gemacht hat, das seit mehr als zehn Jahren die Erde umkreist. Im Rahmen dieser Grace-Mission, an der auch das Geoforschungszentrum in Potsdam und das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt maßgeblich beteiligt sind, wurde das Schwerefeld der Erde mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen.

Schwerefeld des Mondes, Grail-Mission: Natur und Wissenschaft, Weltraum © Nasa, JPL Vergrößern Schwerefeldkarte des Mondes: Rot erscheinen die Bereiche mit Materie hoher Dichte, blau die Gebiete mit Materie niedriger Dichte.

Die beiden Grail-Sonden haben in den vergangenen Monaten die gesamte Mondoberfläche in einer Höhe von nur 55 Kilometern überflogen. Die Forschergruppe unter Leitung von Maria Zuber vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge hat inzwischen aus den gemessenen Abstandsänderungen infolge der variierenden Gravitationskraft auf die Grail-Sonden eine Karte des Schwerefeldes des Mondes gezeichnet. Auf dieser Karte, die jetzt gleichzeitig auf der Herbsttagung der Amerikanischen Geophysikalischen Union in San Francisco und in der Zeitschrift „Science“ (doi: 10.1126/science.1231507) vorgestellt wurde, lassen sich noch Details bis zu einer Größe von dreizehn Kilometern ausmachen. Die erzielte Auflösung ist damit etwa fünfmal so genau wie die bisheriger Schwerekarten des Mondes. Aus solchen Karten lassen sich wiederum die Dichteunterschiede der Materie im Inneren des Mondes berechnen.

Risse und unterirdische Magma-Kanäle

Das überraschendste Ergebnis der Berechnungen von Zuber und ihren Kollegen ist zweifellos, dass die oberste Gesteinsschicht des Mondes im Durchschnitt etwa zwanzig Kilometer dünner ist als bisher angenommen. Danach ist die Dicke der Mondkruste in etwa mit der der Erdkruste zu vergleichen. Letztere beläuft sich zwischen 34 und 43 Kilometern. Die lunare Schwerekarte zeigt außerdem kilometertiefe Risse in der Mondkruste. Diese werden als Brüche in Folge des Bombardements des Erdtrabanten durch Meteoriten gedeutet. Außerdem sind in der Mondkruste lange Basaltgänge erkennbar, durch die offenbar Magma aus dem Mondinneren zur Oberfläche aufstieg und dabei die riesigen Mare schuf, wie die Wissenschaftler um Zuber glauben (“Science“, doi: 10.1126/science.1231530).

Im Sinkflug mit Doppelabsturz

In den kommenden Wochen soll die Umlaufbahn der Grail-Satelliten auf eine Höhe von nur elf Kilometern über der Mondoberfläche gesenkt werden. Von diesem niedrigen Orbit aus können die beiden Sonden das lunare Schwerefeld mit noch besserer Auflösung erfassen. Das Ergebnis wäre dann eine noch detailliertere Schwerekarte des Mondes. Auf der Erde wäre allerdings eine derart niedrige Umlaufbahn unmöglich, denn als Folge der Luftreibung würden die antriebslosen Satelliten unweigerlich sofort abstürzen. Weil der Mond aber keine Atmosphäre besitzt, hoffen die Wissenschaftler, dass die beiden Grail-Satelliten einige Monate in dieser niedrigen Umlaufbahn verbleiben. Doch die umlaufenden Zwillinge werden nicht allzu lange dort bleiben. Bahnstörungen durch die Inhomogenität des Schwerefeldes werden dazu führen, dass die Zwillinge unkontrolliert in Richtung Mondoberfläche driften. Und so wird die Grail-Mission in der Mitte des kommenden Jahres deshalb mit einem spektakulären Doppelabsturz enden.

Quelle: F.A.Z.

 

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