Die Umwälzung des Mondmantels, der seltsame Prozess, den der Mond vor 4.220 Millionen Jahren durchführte

Eine Besonderheit unseres natürlichen Trabanten, des Mondes, ist, dass seine Oberfläche chemisch asymmetrisch ist. Neue Studien stützen die Idee, dass dies auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass der Mantel des Mondes "nach oben" geschoben wurde, als der Satellit noch jung war. Was oben war, war unten; und was unten war, kam ans Licht.

Mondforscher machen sich schon seit Jahrzehnten Gedanken über das so genannte Umkippen des Mondmantels. Jetzt haben die Planetenforscher Weigang Liang und Adrien Broquet von der University of Arizona zusammen mit einem Forscherteam herausgefunden, dass die Gravitationskarte des Mondes am besten zu diesem Modell der Mantelumwälzung passt.

Laut ScienceAlert hat das Team in einer Reihe von Simulationen gezeigt, wie die Gravitationsanomalien auf der Nahseite des Mondes mit dem Vorhandensein und der Lage von dichten Gesteinen mit dichten Mineralien übereinstimmen, die seit den frühen Tagen des Mondes erhalten geblieben sind.

"Diese Interpretation wird durch die große Ähnlichkeit zwischen dem beobachteten Muster, der Größe und den Dimensionen der Gravitationsanomalien und denen, die von den geodynamischen Modellen der Überreste von Ilmenit enthaltenden Clustern vorhergesagt werden, unterstützt", schreiben die Forscher in ihrem Artikel.

Darüber hinaus haben die Forscher den Zeitpunkt dieses Umkippens genau datiert: vor etwa 4,22 Milliarden Jahren, kurz nachdem der Mond aus einem Stück Erde entstanden war, das bei einer heftigen Kollision abgebrochen war.

Was passiert auf der Oberfläche des Mondes?

Einer der merkwürdigsten Aspekte des Mondes hat mit seiner Oberfläche zu tun. Auf der nächstgelegenen Seite des Mondes gibt es eine Region, die als "geochemisch seltsam" bezeichnet werden kann. Sie ist als Terrana KREEP bekannt und reich an spezifischen und unerwarteten Metallen: Kalium, Seltene Erden und Phosphor.

Diese Region überschneidet sich auch mit Mondmeeren (große Basaltebenen, die das Ergebnis vulkanischer Aktivität sind). Dieser Basalt ist reich an einem Mineral namens Ilmenit. Ilmenit besteht hauptsächlich aus Titan und Eisen und ist wie das Gestein, in dem es enthalten ist, sehr dicht.

Das ist beunruhigend, weil das Gestein darunter weniger dicht ist. Aufgrund der Dichte würde man erwarten, dass die ilmenithaltigen Cluster oder IBC in den Mond gesunken sind und die weniger dichten Gesteine an die Oberfläche aufgestiegen sind.

Sowohl die KREEP-Terrana als auch das IBC lassen sich durch geodynamische Prozesse erklären, die kurz nach der Entstehung des Mondes stattfanden. Als er noch heiß und feucht war, war der Mond wahrscheinlich von einem Ozean aus geschmolzenem Magma bedeckt, das abkühlte und die Kruste und den Mantel bildete.

In diesem Szenario bilden sich, wenn das Magma das Ende seines Abkühlungs- und Kristallisationsprozesses erreicht, dichte Minerale wie Ilmenit in einer Schicht zwischen der Kruste und dem Mantel, und die KREEP-Elemente sind in einer flüssigen Ablagerung konzentriert.

Es wird erwartet, dass diese dichten Minerale zum Mondkern hin absinken. Aber ohne die physikalischen Prozesse zu modellieren, die im Inneren des Mondes während seiner Entstehung stattfanden, konnten die Wissenschaftler nicht sicher sein, dass dies auch wirklich geschah.

Es ist auch möglich, dass sich die IBCs nach diesem anfänglichen Einsinken erwärmten und wieder nach oben stiegen und dabei den Mantel umstürzten. Dies würde sowohl die KREEP-Terrana als auch die titanhaltigen Basalte erklären, die durch Vulkanismus an die Oberfläche gelangten.

In diesem Szenario sollten beide Elementgruppen mehr oder weniger gleichmäßig im Mondmantel verteilt sein, aber das ist nicht das, was die Wissenschaftler gefunden haben.

Das Modell der Rolle des Mondmantels stimmte mit der Beobachtung überein

Eine Erklärung dafür ist das Südpol-Aitken-Becken auf der verborgenen Seite des Mondes, ein kolossaler Einschlag, der einen Krater hinterlassen hat, der mehr als ein Viertel der Mondoberfläche bedeckt.

Dieser Einschlag erzeugte einen heißen Fleck, der die Wanderung des KREEP und des Ilmenits weit weg vom Ort des Einschlags gesehen haben könnte und sich auf die nahe Seite des Mondes konzentrierte. Da er sich unter der Oberfläche befindet, können wir ihn nicht wirklich sehen, aber die Forscher erkannten, dass eine solche Wanderung ausgeprägte Gravitationssignaturen hinterlassen haben sollte.

Die Forscher bauten Modelle des lunaren Umsturzes von ilmenitreichem Material, um die Gravitationsmuster zu beobachten, die durch IBC-Konzentrationen unter der Mondrinde entstehen.

Die Ergebnisse zeigten ein polygonales Muster von linearen Gravitationsanomalien. Sie verglichen diese Daten mit denen, die von den Orbitern des Interior and Gravity Recovery Laboratory (GRAIL) der NASA gewonnen wurden, einem Paar von Raumsonden, die mehr als ein Jahr im Weltraum verbrachten, um die Schwerkraft der Mondoberfläche zu messen.

Das Modell zeigt auch, wie lange es dauert, bis sich das Muster entwickelt, und begrenzt den Zeitpunkt des Umkippens auf mindestens 4,220 Millionen Jahre.

Quellenhinweis:

Liang, W., Broquet, A., Andrews-Hanna, J.C. et al. Vestiges of a lunar ilmenite layer following mantle overturn revealed by gravity data. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01408-2