Astronomie

Wenn der Mond noch ein Magnetfeld hätte, wie lange wäre es möglich gewesen, eine Atmosphäre aufrechtzuerhalten?

Wenn der Mond noch ein Magnetfeld hätte, wie lange wäre es möglich gewesen, eine Atmosphäre aufrechtzuerhalten?


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Nehmen wir an, der Mond hätte ein beträchtliches Magnetfeld, um die durch den Sonnenwind verursachte Atmosphärendispersion zu verhindern. Wie viele Jahre würden angesichts der geringen Schwerkraft des Mondes vergehen, bis alle Gase (einer erdähnlichen Atmosphäre) aus seinem Körper entweichen würden? Würde seine Schwerkraft ausreichen, um schwerere Gase wie CO2 einzufangen?


Ich gebe eine etwas andere Antwort: Die Fluchtgeschwindigkeit an der Oberfläche unseres Mondes beträgt etwa 2,38 km/s. Aus dieser Arbeit abgeleitet, kann eine Atmosphäre als Faustregel 4,5 Milliarden Jahre überleben, wenn ihre durchschnittliche Molekülgeschwindigkeit unter 1/6 der Fluchtgeschwindigkeit des Planeten/Monds liegt. Auf unseren Mond übertragen sind es 2380 m/s / 6 = 396,67 m/s.

Kohlendioxid hat eine Molekülmasse von 44u. Die entsprechende Temperatur für eine mittlere Molekülgeschwindigkeit für Kohlendioxid ist also $$mbox{temperatur}=(v_{mbox{gas}}/157)^2 cdot mbox{Molekülmasse}mbox=(396.67/157 )^2cdot 44mbox{ K}=280,87mbox{ K}.$$ Die mittlere Oberflächentemperatur des Mondes am Äquator beträgt etwa 220 K. Das ist deutlich unter den erlaubten 280,87 K. Eine Kohlendioxidatmosphäre könnte 4,5 Milliarden . überlebt haben Jahren nach diesen stark vereinfachten Annahmen.

Bei näherer Betrachtung der Atmosphäre stellt sich heraus, dass die höheren Schichten der Thermosphäre und der Exosphäre mehr als 1000 K erreichen können. Sogar Kohlendioxid kann bei dieser Temperatur im Laufe der Zeit vom Mond entweichen: Die durchschnittliche Molekülgeschwindigkeit für Kohlendioxid bei 1000 K ist $$157cdotsqrt{frac{1000}{44}}mbox{ m/s}= 748,5mbox{ m/s}.$$

Dies führt zu einem Jeans-Escape-Parameter von $$lambda_0=left(frac{v_{mbox{esc}}}{v_{mbox{gas}}} ight)^2 =left(frac{ 2380}{748.5} ight)^2= 10.1,$$ was zu einer Escape-Rate von etwa $10^{-4}$ relativ zu einem freien Molekülfluss führt.

Daraus lässt sich die Zeitspanne, in der der Mond eine Kohlendioxid-Atmosphäre verlieren würde, noch nicht ganz einfach berechnen, da dies eine Funktion der höhenabhängigen Temperaturkurve der Atmosphäre ist. Aber es ist zumindest klar, dass der Mond nicht plötzlich eine Kohlendioxid-Atmosphäre verlieren würde, da dies wahrscheinlich nur für $lambda_0 < 3$ gilt.


Ihre Frage könnte auf zwei Arten interpretiert werden: Könnte ein starkes Magnetfeld ausreichen, um eine Atmosphäre an Ort und Stelle zu halten, oder könnte ein Magnetfeld ausreichend Abschirmung bieten, um eine Atmosphäre zu halten.

Erstens könnte ein Magnetfeld niemals ausreichen, um eine Atmosphäre an einem Körper zu halten.

Zweitens würde ein Magnetfeld verhindern, dass eine Atmosphäre stark bestrahlt und weggeblasen wird, aber die Schwerkraft des Mondes ist einfach zu gering.


Die Magnetosphäre des Mondes war früher doppelt so stark wie die der Erde

Seit Jahrzehnten behaupten Wissenschaftler, dass das Erde-Mond-System durch eine Kollision zwischen der Erde und einem marsgroßen Objekt vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstanden ist. Diese als Giant Impact Hypothese bekannte Theorie erklärt, warum Erde und Mond in Struktur und Zusammensetzung ähnlich sind. Interessanterweise haben Wissenschaftler auch festgestellt, dass der Mond in seiner frühen Geschichte eine Magnetosphäre hatte – ähnlich wie die Erde heute.

Eine neue Studie, die von Forschern des MIT (mit Unterstützung der NASA) geleitet wurde, zeigt jedoch, dass das Magnetfeld des Mondes zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich stärker gewesen sein könnte als das der Erde. Sie waren auch in der Lage, das Auslaufen dieses Feldes strenger zu beschränken und behaupteten, dies wäre vor etwa einer Milliarde Jahren passiert. Diese Ergebnisse haben dazu beigetragen, das Rätsel zu lösen, welcher Mechanismus das Magnetfeld des Mondes im Laufe der Zeit antreibt.

Die Studie, die kürzlich in der Zeitschrift erschienen ist Wissenschaftliche Fortschritte, wurde von Saied Mighani geleitet, einem experimentellen Gesteinsphysiker am MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences. Er wurde von Mitgliedern des Berkeley Geochronology Center an der UC Berkeley und der China University of Geosciences unterstützt, mit zusätzlicher Unterstützung durch den berühmten EAPS-Professor Dr. Benjamin Weiss.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Magnetfeld der Erde für das Leben, wie wir es kennen, unerlässlich ist. Wenn die einfallenden Sonnenwindteilchen die Erde erreichen, werden sie von diesem Feld abgelenkt und bilden einen Bogenstoß vor der Erde und einen Magnetschweif dahinter. Die verbleibenden Partikel lagern sich an den magnetischen Polen ab, wo sie mit unserer Atmosphäre interagieren, was dazu führt, dass die Aurorae in der nördlichen und südlichen Hemisphäre zu sehen sind.

Ohne dieses Magnetfeld wäre die Erdatmosphäre im Laufe von Milliarden von Jahren langsam vom Sonnenwind weggerissen und zu einem kalten, trockenen Ort geworden. Es wird angenommen, dass dies auf dem Mars geschah, wo eine einst dickere Atmosphäre vor 4,2 bis 3,7 Milliarden Jahren aufgebraucht war und das gesamte flüssige Wasser auf seiner Oberfläche entweder verloren ging oder gefror.

Im Laufe der Jahre hat die Weiss’-Gruppe durch die Untersuchung von Mondgesteinen dazu beigetragen, zu zeigen, dass der Mond vor etwa 4 Milliarden Jahren auch ein starkes Magnetfeld von etwa 100 Mikrotesla hatte (während die Erde heute etwa 50 Mikrotesla beträgt). Im Jahr 2017 untersuchten sie Proben, die von den Apollo-Astronauten gesammelt wurden, die vor etwa 2,5 Milliarden Jahren datiert wurden, und fanden ein viel schwächeres Feld (weniger als 10 Mikrotesla).

Mit anderen Worten, das Magnetfeld des Mondes wurde vor 4 bis 2,5 Milliarden Jahren um den Faktor fünf abgeschwächt und verschwand dann vor etwa 1 Milliarde Jahren vollständig. Zu dieser Zeit vermuteten Weiss und seine Kollegen, dass möglicherweise zwei Dynamomechanismen im Inneren des Mondes für diese Veränderung verantwortlich waren.

Messungen von Mondgestein haben gezeigt, dass der alte Mond in seinem flüssigen Metallkern (innerste rote Schale) ein dynamisches Magnetfeld erzeugte. Bildnachweis: Hernán Cañellas/Benjamin Weiss

Kurz gesagt argumentierten sie, dass ein erster Dynamoeffekt vor etwa 4 Milliarden Jahren ein viel stärkeres Magnetfeld erzeugt haben könnte. Dann, vor 2,5 Milliarden Jahren, wurde es durch einen zweiten Dynamo ersetzt, der langlebiger war, aber ein viel schwächeres Magnetfeld aushielt. Wie Dr. Weiss in einer MIT-Pressemitteilung erklärte:

„Es gibt mehrere Ideen dafür, welche Mechanismen den Monddynamo antreiben, und die Frage ist, wie findet man heraus, welcher das tat? Es stellt sich heraus, dass alle diese Stromquellen unterschiedliche Lebensdauern haben. Wenn Sie also herausfinden könnten, wann der Dynamo ausgeschaltet wurde, könnten Sie zwischen den Mechanismen unterscheiden, die für den Monddynamo vorgeschlagen wurden. Das war der Zweck dieses neuen Papiers.“

Bisher war die Gewinnung von Mondgestein, das weniger als 3 Milliarden Jahre alt ist, eine große Herausforderung. Der Grund dafür hat damit zu tun, dass die vulkanische Aktivität, die vor 4 Milliarden Jahren auf dem Mond üblich war, vor etwa 3 Milliarden Jahren aufgehört hat. Glücklicherweise konnte das MIT-Team zwei von den Apollo-Astronauten gewonnene Mondgesteinsproben identifizieren, die vor 1 Milliarde Jahren durch einen Einschlag entstanden sind.

Während diese Gesteine ​​durch den Einschlag geschmolzen und dann wieder verfestigt wurden, wodurch ihre magnetische Aufzeichnung gelöscht wurde, konnte das Team Tests an ihnen durchführen, um ihre magnetische Signatur zu rekonstruieren. Zuerst analysierten sie die Orientierung der Gesteinselektronen, die Weiss als „kleine Kompasse“ bezeichnet, da sie sich entweder in die Richtung eines vorhandenen Magnetfelds ausrichten oder in Abwesenheit eines solchen in zufälliger Ausrichtung erscheinen.

Mondgestein von der Apollo-11-Mission. Bildnachweis: NASA

In beiden Proben beobachtete das Team letzteres, was darauf hindeutete, dass sich die Gesteine ​​in einem extrem schwachen Magnetfeld von nicht mehr als 0,1 Mikroteslas (möglicherweise gar keinem) bildeten. Es folgte eine radiometrische Datierungstechnik, die für diese Studie von Weiss und David L. Shuster (einem Forscher des Berkeley Geochronology Center und Co-Autor der Studie) angepasst wurde. Diese Ergebnisse bestätigten, dass die Gesteine ​​tatsächlich 1 Milliarde Jahre alt waren.

Schließlich führte das Team Wärmetests an den Proben durch, um festzustellen, ob sie zum Zeitpunkt des Aufpralls eine gute magnetische Aufzeichnung liefern konnten. Dies bestand darin, beide Proben in einen Ofen zu legen und sie den hohen Temperaturen auszusetzen, die durch einen Aufprall erzeugt worden wären. Beim Abkühlen setzten sie sie im Labor einem künstlich erzeugten Magnetfeld aus und bestätigten, dass sie es aufzeichnen konnten.

Diese Ergebnisse bestätigen, dass die anfänglich vom Team gemessene magnetische Stärke (0,1 Mikroteslas) genau ist und dass vor 1 Milliarde Jahren der Dynamo, der das Magnetfeld des Mondes antreibt, wahrscheinlich beendet war. Wie Weiss ausdrückte:

„Das Magnetfeld ist dieses nebulöse Ding, das den Raum durchdringt, wie ein unsichtbares Kraftfeld. Wir haben gezeigt, dass der Dynamo, der das Magnetfeld des Mondes erzeugte, vor 1,5 bis 1 Milliarde Jahren gestorben ist und anscheinend erdähnlich angetrieben wurde.“

Mondabdruck von den Apollo-Missionen. Bildnachweis: NASA

Wie bereits erwähnt, trägt diese Studie auch dazu bei, die Debatte darüber zu lösen, was den Monddynamo in seinen späteren Stadien antreibt. Obwohl mehrere Theorien vorgeschlagen wurden, stimmen diese neuen Erkenntnisse mit der Theorie überein, dass die Kernkristallisation verantwortlich ist. Grundsätzlich besagt diese Theorie, dass der innere Kern des Mondes im Laufe der Zeit kristallisierte, den Fluss der elektrisch geladenen Flüssigkeit verlangsamte und den Dynamo stoppte.

Weiss schlägt vor, dass die Präzession zuvor für den Antrieb eines viel stärkeren (aber kurzlebigen) Dynamos verantwortlich gewesen sein könnte, der das starke Magnetfeld erzeugt hätte. Dies steht im Einklang mit der Tatsache, dass der Mond vor 4 Milliarden Jahren vermutlich viel näher an der Erde kreiste. Dies hätte dazu geführt, dass die Schwerkraft der Erde einen viel größeren Einfluss auf den Mond gehabt hätte, was dazu geführt hätte, dass sein Mantel wackelte und die Aktivität im Kern aufwühlte.

Als sich der Mond langsam von der Erde entfernte, verringerte sich der Effekt der Präzession und der ein Magnetfeld erzeugende Dynamo würde schwächer. Vor etwa 2,5 Milliarden Jahren wurde die Kristallisation zum dominierenden Mechanismus, durch den der Monddynamo weiterlief und ein schwächeres Magnetfeld erzeugte, das anhielt, bis der äußere Kern vor einer Milliarde Jahren schließlich kristallisierte.

Studien wie diese könnten auch dazu beitragen, das Rätsel zu lösen, warum Planeten wie Venus und Mars ihre Magnetfelder verloren haben (was zum katastrophalen Klimawandel beiträgt) und wie die Erde eines Tages ihr eigenes verlieren könnte. Angesichts ihrer Bedeutung für die Bewohnbarkeit könnte ein besseres Verständnis von Dynamos und Magnetfeldern auch bei der Suche nach bewohnbaren Exoplaneten helfen.


Das Magnetfeld des Mondes hielt dank Lunar Dynamo über 2 Milliarden Jahre an

Es wird angenommen, dass der Mond, der einzige natürliche Satellit der Erde, kurz nach der Entstehung des Planeten selbst vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstanden ist, nachdem ein Objekt von der Größe des Mars auf die Erde stürzte und die Trümmer der Kollision zum Mond verschmolzen. Es war nur natürlich, dass Erde und Mond einige gemeinsame Eigenschaften hatten.

Ein Magnetfeld war so etwas, aber während es bis heute um die Erde herum existiert – und als ein grundlegender Faktor für die Bewohnbarkeit gilt –, verschwand es irgendwann in der Vergangenheit aus noch nicht verstandenen Gründen aus der Umgebung des Mondes. Bis vor kurzem dachte man, dass das Mondmagnetfeld vor etwa 3,5 Milliarden Jahren verschwunden oder zumindest deutlich abgeschwächt sei. Neue Forschungen haben jedoch gezeigt, dass der Monddynamo im Kern des Mondes – von dem man annimmt, dass er für das Magnetfeld verantwortlich ist – bis vor 1 bis 2,5 Milliarden Jahren aktiv war.

Forscher des Massachusettes Institute of Technology (MIT) und der Rutgers University analysierten eine Mondgesteinsprobe, die im August 1971 von der Besatzung von Apollo 15 gesammelt wurde. Das relativ junge Gestein, etwa 1 bis 2,5 Milliarden Jahre alt, ist wahrscheinlich dadurch entstanden eines Meteoriteneinschlags. Und die Analyse zeigte zum Zeitpunkt seiner Entstehung ein Magnetfeld von etwa 5 Mikrotesla.

Im Vergleich zum heutigen Magnetfeld auf der Erde sind 5 Mikrotesla etwa 10-mal schwächer, aber immer noch etwa 1.000-mal stärker als die Felder, die heute im interplanetaren Raum existieren. Vor etwa 4 Milliarden Jahren hatte der Mond ein Magnetfeld von etwa 100 Mikrotesla, was fast doppelt so groß ist wie die durchschnittliche Stärke des heutigen Erdmagnetfeldes von 50 Mikrotesla.

Dieser Befund verschiebt die Zeitachse, als wir dachten, der Mond verlor sein Magnetfeld um 1 bis 2,5 Milliarden Jahre. Nachdem wir uns vor etwa 3,5 Milliarden Jahren aus unbekannten oder unbekannten Gründen deutlich aufgelöst hatten, wussten wir nicht, ob das Mondmagnetfeld noch einige Zeit andauerte. Bis jetzt ist das so.

Es ist eine wichtige Erkenntnis mit einigen schwerwiegenden Folgen. Zum einen kann es uns helfen zu verstehen, wie der Monddynamo im Kern des Mondes – das Phänomen, das für die Erzeugung des Magnetfelds verantwortlich ist – angetrieben wurde und wie es sich im Laufe der Zeit verhielt.

Benjamin Weiss vom MIT, Co-Autor einer Forschungsarbeit zu diesem Thema, die am Mittwoch in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, erklärte in einer Erklärung der Universität: „Das Konzept eines planetarischen Magnetfelds, das durch die Bewegung von flüssigem Metall erzeugt wird, ist eine Idee das ist wirklich erst ein paar jahrzehnte alt. Was diese Bewegung auf der Erde und anderen Körpern, insbesondere auf dem Mond, antreibt, ist nicht gut verstanden. Wir können dies herausfinden, indem wir die Lebensdauer des Monddynamos kennen.“

Dann ist da noch die Frage der Beziehung zwischen der Bewohnbarkeit eines planetarischen Körpers und dem ihn umgebenden Magnetfeld. Ohne ein Feld führen geladene Teilchen, die vom Wirtsstern des Körpers – in unserem Fall der Sonne – stammen, wahrscheinlich zum Verlust von flüssigem Wasser auf der Körperoberfläche, falls vorhanden, wie es auf dem Mars passiert ist.

„Immer wenn wir Exoplaneten oder die Monde von Exoplaneten betrachten, die sich in der bewohnbaren Zone befinden könnten, können wir das Magnetfeld als einen wichtigen Faktor für die Bewohnbarkeit betrachten. Dann stellt sich die Frage, welche Größe von Planeten und Monden wir als möglicherweise bewohnbare Welten in Betracht ziehen sollten“, sagte Sonia Tikoo von Rutgers, die Hauptautorin der Studie mit dem Titel „Eine zwei-Milliarden-Jahres-Geschichte für den Monddynamo“ in a separate Erklärung.

„Wir dachten nicht, dass kleine planetarische Körper sehr lange Magnetfelder erzeugen könnten, weil sie kleinere Kerne haben, die schnell abkühlen und früh in ihrem Leben kristallisieren würden. Da die Kristallisationsgeschwindigkeit von der Zusammensetzung des Kerns abhängt, könnten unsere Ergebnisse in Frage stellen, woraus unserer Meinung nach der Mondkern besteht. Es besteht hauptsächlich aus Eisen, aber es muss etwas hinzugefügt werden: Schwefel, Kohlenstoff oder ein anderes Element“, erklärte sie weiter.

Proben vom Mond, die magnetische Aktivität aufzeichneten und auch jünger als 3,2 Milliarden Jahre waren, sind schwer zu bekommen, da die vulkanische Aktivität auf dem Mond zu dieser Zeit weitgehend aufgehört hat. Zum Glück für die Forscher wurden einige der von der Apollo-15-Crew gesammelten Proben später aufgrund von Meteoriteneinschlägen gebildet. Das spezifische Stück, das sie analysierten, heißt Apollo 15-Probe 15498, und das glasige Material, das die Mineralien und Gesteinsbrocken zusammenschweißt, zeichnet sich sehr gut durch die Aufzeichnung magnetischer Eigenschaften aus.


Der Mond rostet und Forscher wollen wissen, warum

Während unser Mond luftleer ist, weisen Untersuchungen auf das Vorhandensein von Hämatit hin, einer Form von Rost, die normalerweise Sauerstoff und Wasser benötigt. Das hat Wissenschaftler verwirrt.

Der Mars ist seit langem für seinen Rost bekannt. Eisen auf seiner Oberfläche, kombiniert mit Wasser und Sauerstoff aus der Antike, verleihen dem Roten Planeten seine Farbe. Aber Wissenschaftler waren erst kürzlich überrascht, als sie Beweise dafür fanden, dass auch unser luftloser Mond Rost hat.

Ein neuer Artikel in Science Advances überprüft Daten des Chandrayaan-1-Orbiters der indischen Weltraumforschungsorganisation, der 2008 bei der Vermessung der Mondoberfläche Wassereis entdeckte und eine Vielzahl von Mineralien kartierte. Hauptautor Shuai Li von der University of Hawaii hat dieses Wasser ausführlich anhand von Daten des Moon Mineralogy Mapper-Instruments von Chandrayaan-1 oder M3 untersucht, das vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien gebaut wurde. Wasser interagiert mit Gestein, um eine Vielzahl von Mineralien zu produzieren, und M3 entdeckte Spektren – oder von Oberflächen reflektiertes Licht –, die zeigten, dass die Pole des Mondes eine ganz andere Zusammensetzung hatten als der Rest.

Fasziniert ging Li auf diese Polarspektren ein. Obwohl die Mondoberfläche mit eisenreichen Gesteinen übersät ist, war er dennoch überrascht, eine enge Übereinstimmung mit der spektralen Signatur von Hämatit zu finden. Das Mineral ist eine Form von Eisenoxid oder Rost, die entsteht, wenn Eisen Sauerstoff und Wasser ausgesetzt wird. Aber der Mond soll keinen Sauerstoff oder flüssiges Wasser haben, also wie kann er rosten?

Das Mysterium beginnt mit dem Sonnenwind, einem Strom geladener Teilchen, der von der Sonne ausströmt und Erde und Mond mit Wasserstoff bombardiert. Wasserstoff erschwert die Bildung von Hämatit. Es ist ein sogenanntes Reduktionsmittel, was bedeutet, dass es den Materialien, mit denen es interagiert, Elektronen hinzufügt. Das ist das Gegenteil von dem, was zur Herstellung von Hämatit benötigt wird: Damit Eisen rosten kann, braucht es ein Oxidationsmittel, das Elektronen entfernt. Und während die Erde ein Magnetfeld hat, das sie von diesem Wasserstoff abschirmt, tut dies der Mond nicht.

»Das ist sehr rätselhaft«, sagte Li. „Der Mond ist eine schreckliche Umgebung für die Bildung von Hämatit.“ Also wandte er sich an die JPL-Wissenschaftler Abigail Fraeman und Vivian Sun, um die Daten von M3 zu untersuchen und seine Entdeckung von Hämatit zu bestätigen.

"Zuerst habe ich es nicht geglaubt. Es sollte nicht existieren, basierend auf den Bedingungen auf dem Mond“, sagte Fraeman. "Aber seit wir das Wasser auf dem Mond entdeckt haben, spekulieren die Leute, dass es eine größere Vielfalt an Mineralien geben könnte, als uns bewusst ist, wenn dieses Wasser mit Gesteinen reagiert hätte."

Nach genauerem Hinsehen waren Fraeman und Sun überzeugt, dass die Daten von M3 tatsächlich auf das Vorhandensein von Hämatit an den Mondpolen hinweisen. "Letztendlich waren die Spektren überzeugend hämatithaltig, und es musste eine Erklärung dafür geben, warum es auf dem Mond ist", sagte Sun.

Drei Hauptzutaten

Ihr Papier bietet ein dreigleisiges Modell, um zu erklären, wie sich in einer solchen Umgebung Rost bilden kann. Für den Anfang fehlt dem Mond zwar eine Atmosphäre, er beherbergt jedoch Spuren von Sauerstoff. Die Quelle dieses Sauerstoffs: unser Planet. Das Magnetfeld der Erde zieht sich wie ein Windsack hinter dem Planeten her. Im Jahr 2007 entdeckte Japans Kaguya-Orbiter, dass Sauerstoff aus der oberen Atmosphäre der Erde mit diesem nachlaufenden Magnetoschwanz, wie er offiziell bekannt ist, mitfahren kann und die 239.000 Meilen (385,00 Kilometer) zum Mond zurücklegt.

Diese Entdeckung passt zu den Daten von M3, die mehr Hämatit auf der erdzugewandten Seite des Mondes fanden als auf seiner anderen Seite. "Dies deutete darauf hin, dass der Sauerstoff der Erde die Bildung von Hämatit antreiben könnte", sagte Li. Der Mond hat sich seit Milliarden von Jahren von der Erde entfernt, daher ist es auch möglich, dass mehr Sauerstoff über diesen Riss hüpfte, als die beiden in der Antike näher zusammen waren.

Dann ist da noch die Sache mit dem ganzen Wasserstoff, der vom Sonnenwind geliefert wird. Als Reduktionsmittel sollte Wasserstoff das Auftreten einer Oxidation verhindern. Aber der Magnetschweif der Erde hat eine vermittelnde Wirkung. Es transportiert nicht nur Sauerstoff von unserem Heimatplaneten zum Mond, sondern blockiert auch über 99% des Sonnenwinds während bestimmter Perioden der Mondumlaufbahn (insbesondere immer dann, wenn er sich in der Vollmondphase befindet). Das öffnet während des Mondzyklus gelegentlich Fenster, wenn sich Rost bilden kann.

Das dritte Puzzleteil ist Wasser. Während der größte Teil des Mondes knochentrocken ist, kann man Wassereis in schattigen Mondkratern auf der anderen Seite des Mondes finden. Aber der Hämatit wurde weit entfernt von diesem Eis entdeckt. Der Artikel konzentriert sich stattdessen auf Wassermoleküle, die sich auf der Mondoberfläche befinden. Li schlägt vor, dass sich schnell bewegende Staubpartikel, die regelmäßig auf den Mond schießen, diese oberflächengetragenen Wassermoleküle freisetzen und sie mit Eisen im Mondboden vermischen könnten. Hitze von diesen Stößen könnte die Oxidationsrate erhöhen die Staubpartikel selbst können auch Wassermoleküle tragen und sie in die Oberfläche einpflanzen, damit sie sich mit Eisen vermischen. Genau in den richtigen Momenten - nämlich wenn der Mond vom Sonnenwind abgeschirmt ist und Sauerstoff vorhanden ist - könnte eine rostauslösende chemische Reaktion ablaufen.

Es werden mehr Daten benötigt, um genau zu bestimmen, wie das Wasser mit dem Gestein interagiert. Diese Daten könnten auch helfen, ein weiteres Rätsel zu erklären: Warum sich auch auf der anderen Seite des Mondes kleinere Mengen Hämatit bilden, wo der Sauerstoff der Erde ihn nicht erreichen sollte.

Fraeman sagte, dieses Modell könnte auch Hämatit erklären, das auf anderen luftlosen Körpern wie Asteroiden gefunden wurde. "Es könnte sein, dass kleine Wassertropfen und der Aufprall von Staubpartikeln das Eisen in diesen Körpern rosten lassen", sagte sie.

Li stellte fest, dass dies eine aufregende Zeit für die Mondforschung ist. Fast 50 Jahre nach der letzten Apollo-Landung ist der Mond wieder ein wichtiges Ziel. Die NASA plant, ab nächstem Jahr Dutzende neuer Instrumente und Technologieexperimente zur Erforschung des Mondes zu schicken, gefolgt von menschlichen Missionen ab 2024, alle im Rahmen des Artemis-Programms.

JPL baut auch eine neue Version von M3 für einen Orbiter namens Lunar Trailblazer. Eines seiner Instrumente, der High-Resolution Volatiles and Minerals Moon Mapper (HVM3), wird Wassereis in permanent beschatteten Kratern auf dem Mond kartieren und möglicherweise auch neue Details über Hämatit aufdecken.

"Ich denke, diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass in unserem Sonnensystem komplexere chemische Prozesse ablaufen, als bisher angenommen wurde", sagte Sun. "Wir können sie besser verstehen, indem wir zukünftige Missionen zum Mond senden, um diese Hypothesen zu testen."


Magmaozean könnte für das frühe Magnetfeld des Mondes verantwortlich sein responsible

Vor rund vier Milliarden Jahren hatte der Mond ein Magnetfeld, das ungefähr so ​​stark war wie das heutige Erdmagnetfeld. Wie der Mond mit einem viel kleineren Kern als der der Erde ein so starkes Magnetfeld haben konnte, war ein ungelöstes Problem in der Geschichte der Mondentwicklung.

Der Wissenschaftler Aaron Scheinberg aus Princeton und Krista Soderlund vom Institute for Geophysics der University of Texas und Linda Elkins-Tanton von der Arizona State University wollten herausfinden, was dieses frühe Mondmagnetfeld angetrieben haben könnte. Ihre Ergebnisse und ein neues Modell dafür, wie dies geschehen sein könnte, wurden kürzlich in . veröffentlicht Briefe zur Erd- und Planetenwissenschaft.

Ein neues Modell

Das Erdmagnetfeld schützt unseren Planeten, indem es den größten Teil des Sonnenwinds ablenkt, dessen geladene Teilchen sonst die Ozonschicht entfernen würden, die die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt.

Während das Magnetfeld der Erde durch die Bewegungen ihres konvektiven flüssigen Metallkerns, bekannt als Dynamo, erzeugt wird, ist der Mondkern zu klein, um ein Magnetfeld dieser Größenordnung erzeugt zu haben.

Daher schlug das Forschungsteam ein neues Modell vor, wie das Magnetfeld erdähnliche Niveaus erreicht haben könnte. In diesem Szenario wird der Dynamo nicht vom kleinen Metallkern des Mondes angetrieben, sondern von einer schweren Schicht aus geschmolzenem (flüssigem) Gestein, die darauf sitzt.

In diesem vorgeschlagenen Modell schmilzt die unterste Schicht des Mondmantels, um einen metallreichen "basalen Magmaozean" zu bilden, der sich auf dem Metallkern des Mondes befindet. Konvektion in dieser Schicht treibt dann den Dynamo an und erzeugt ein Magnetfeld.

"Die Idee eines basalen Magma-Ozean-Dynamos wurde für das frühe Erdmagnetfeld vorgeschlagen, und wir haben erkannt, dass dieser Mechanismus auch für den Mond wichtig sein könnte", sagt Co-Autor Soderlund.

Soderlund erklärt weiter, dass man an der Basis des Mondmantels heute noch eine teilweise geschmolzene Schicht vermutet. "Ein starkes Magnetfeld ist an der Mondoberfläche leichter zu erreichen, wenn der Dynamo im Mantel statt im Kern arbeitet", sagt sie, "denn die Magnetfeldstärke nimmt mit zunehmender Entfernung von der Dynamoregion rapide ab."

In Simulationen des Kerndynamos des Mondes, die das Team durchführte, stellten sie immer wieder fest, dass die untere Schicht des Mondmantels überhitzt und schmilzt. Anfangs versuchten sie, sich auf Fälle ohne Schmelzen zu konzentrieren, die einfacher zu modellieren waren, aber schließlich betrachteten sie den Schmelzprozess als den Schlüssel zu ihrem neuen Modell.

„Als wir anfingen, dieses Schmelzen als Feature und nicht als Fehler zu betrachten“, sagt Scheinberg, „fingen die Teile an, zusammenzupassen, und wir fragten uns, ob das Schmelzen, das wir in den Modellen sahen, einen metallreichen Magmaozean produzieren könnte, um die starkes frühes Feld."

Ein späteres schwaches Magnetfeld

Weiter in der Entwicklung des Mondes (vor etwa 3,56 Milliarden Jahren) gibt es auch Hinweise darauf, dass das starke Magnetfeld, das um den Mond herum existierte, schließlich zu einem schwachen Magnetfeld wurde, das bis vor relativ kurzer Zeit andauerte. Das neue Modell des Teams könnte auch dazu beitragen, dieses Phänomen zu erklären.

„Unser Modell bietet eine elegante Lösungsmöglichkeit“, sagt Scheinberg. "Als der Mond abkühlte, hätte sich der Magmaozean verfestigt, während der Kerndynamo weiterhin das spätere schwache Feld erzeugt hätte."

„Wir sind von diesem Ergebnis begeistert, weil es grundlegende Beobachtungen über den Mond erklärt – sein frühes, starkes Magnetfeld und seine anschließende Abschwächung und dann sein Verschwinden – mit Prozessen erster Ordnung, die bereits durch andere Beobachtungen unterstützt werden“, fügt Co-Autor Elkins hinzu -Tanton.

Neben der Bereitstellung eines neuen Modells, auf dem aufgebaut werden kann, kann diese Forschung auch ein besseres Verständnis der planetaren Magnetfelderzeugung an anderen Orten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus ermöglichen.

"Basalmagma-Ozean-Dynamos, wie sie in unserem Modell vorkommen, könnten auf Gesteinsplaneten wie der Erde und dem Mars durchaus üblich gewesen sein", sagt Scheinberg.


Magnetfelder auf dem Mond sind das Überbleibsel eines alten Kerndynamos

Derzeit hat der Mond kein internes Magnetfeld, wie es auf der Erde beobachtet werden kann. Allerdings gibt es auf seiner Oberfläche lokalisierte Bereiche von bis zu mehreren hundert Kilometern Größe, in denen ein sehr starkes Magnetfeld vorherrscht. Das haben Messungen an Gesteinen der Apollo-Missionen gezeigt. Seitdem rätselt die Forschung über den Ursprung dieser magnetischen Flecken. Eine Theorie besagt, dass sie in gewisser Weise Überbleibsel eines alten Kernmagnetfeldes sind. Möglicherweise ähnlich wie das, was man heute noch auf der Erde beobachten kann. Hier besteht der Kern aus geschmolzenem und festem Eisen und erzeugt durch seine Rotation das Erdmagnetfeld. Warum das innere Feld des Mondes irgendwann erloschen ist, bleibt Gegenstand der Forschung.

Eine andere lange diskutierte Theorie über die lokalen magnetischen Flecken des Mondes legt nahe, dass sie das Ergebnis von Magnetisierungsvorgängen sind, die durch den Aufprall massiver Körper auf die Mondoberfläche verursacht werden. Eine kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Wissenschaftliche Fortschritte zeigt nun, dass der Mond in der Vergangenheit einen inneren Kerndynamo gehabt haben muss. Zu ihrem Ergebnis kamen die Forscher, indem sie diese zweite Theorie mit Hilfe komplexer Computersimulationen widerlegten. Es ist das Ergebnis einer großen internationalen Kooperation zwischen MIT, GFZ-Potsdam, UCLA, der Universität Potsdam, der University of Michigan und der australischen Curtin University.

Die zweite These wurde unter anderem dadurch gestützt, dass auf der anderen Seite des Mondes, genau gegenüber großen Mondkratern, große und starke magnetische Flecken gefunden wurden. Ihr Ursprung wurde wie folgt vermutet: Da der Mond – anders als die Erde – keine Atmosphäre besitzt, die ihn vor Meteoriten und Asteroiden schützt, können solche massiven Körper ihn mit voller Wucht treffen und Material auf seiner Oberfläche pulverisieren und ionisieren. Eine so entstandene Wolke geladener Teilchen, auch Plasma genannt, umströmt den Mond, komprimiert den im Weltraum vorhandenen magnetischen Sonnenwind und verstärkt so dessen Magnetfeld. Gleichzeitig induziert der Sonnenwind im Mond selbst ein Magnetfeld. An der dem Einschlag gegenüberliegenden Oberfläche werden all diese Felder verstärkt und erzeugen den beobachteten Magnetismus im Krustengestein.

Am Beispiel einiger bekannter Mondkrater, die wir als "rechtes Auge" bezeichnen, haben die Forscher nun den Aufprall einschließlich der Plasmabildung, die Ausbreitung des Plasmas um den Mond und den Verlauf des induzierten Feldes simuliert das Innere des Mondes. Mit Software, die ursprünglich für Weltraumphysik- und Weltraumwetteranwendungen entwickelt wurde, simulierten sie ganz unterschiedliche Einschlagsszenarien. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Verstärkung der Magnetfelder durch Kollisionen und herausgeschleudertes Material allein nicht ausreicht, um die ursprünglich auf dem Mond geschätzten und gemessenen großen Feldstärken zu erzeugen: Das resultierende Magnetfeld ist tausendfach schwächer als notwendig, um die Beobachtungen zu erklären. Dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Effekte nicht existieren, sondern nur vergleichsweise schwach sind. Die Simulationen zeigten insbesondere, dass die Feldverstärkung durch die Plasmawolke auf der Rückseite des Einschlags eher oberhalb der Kruste auftritt und dass das Magnetfeld im Inneren des Mondes aufgrund von Turbulenzen im Mond einen Großteil seiner Energie durch Dissipation verliert Mantel und Kruste.

„Wie genau die magnetischen Flecken entstanden sind, bedarf noch weiterer Forschung. Aber jetzt ist klar, dass dazu irgendwann ein inneres Magnetfeld des Mondes vorhanden sein musste“, sagt Yuri Shprits, Professor an der Universität Potsdam und Leiter der Sektion Magnetosphärenphysik am GFZ-Potsdam. "Darüber hinaus kann uns diese Studie helfen, die Natur des dynamoerzeugten Magnetfelds und den Dynamoprozess auf der Erde, den äußeren Planeten und Exoplaneten besser zu verstehen."


Der fehlende Magnetismus des alten Mondes

Heute fehlt dem Mond ein globales Magnetfeld, aber das war nicht immer der Fall. Raumsondenmessungen der Mondkruste und des Mondgesteins, die bei den Apollo-Missionen gewonnen wurden, enthalten Restmagnetisierung, die sich vor 4 bis 3,5 Milliarden Jahren in einem Magnetfeld gebildet hat, das in seiner Stärke mit dem der Erde vergleichbar ist. Wissenschaftler haben argumentiert, dass die Quelle dafür ein Dynamo war – ein Magnetfeld, das vom aufgewühlten, geschmolzenen Metallkern des Mondes erzeugt wird. Die Forschung zeigt jedoch, dass der vermutete kleine Kern des Mondes möglicherweise nicht in der Lage war, genug Energie zu erzeugen, um das uralte Magnetfeld aufrechtzuerhalten, aus dem Planetenwissenschaftler in seinen Gesteinen gefolgert haben.

In einem kürzlich Wissenschaftliche Fortschritte Die Forscherin Rona Oran und der Professor für Planetenwissenschaften Ben Weiss vom MIT Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences untersuchten die Plausibilität einer seit den 1980er Jahren bestehenden Alternativhypothese, die die Restmagnetisierung in der Mondkruste erzeugen könnte: transient durch Meteoriteneinschläge erzeugte Plasmen. Hier beschreiben sie einige ihrer Ergebnisse.

Modelle der Plasmaströmung (links) und der Magnetfeldentwicklung nach einem beckenbildenden Aufprall. Credit: Bild mit freundlicher Genehmigung der Autoren.

F: Was ist die Hypothese von „Einschlagplasmen“ und warum wird sie immer noch als möglicher Mechanismus zur Erklärung des alten Magnetismus des Mondes betrachtet?

Oran: There are two main hypotheses that have been put forward to explain the moon’s ancient magnetic field. One is that the moon once generated a dynamo. The primary challenge for this theory was that the moon is much smaller than the Earth, and it doesn’t have enough energy to generate a surface magnetic field with the high intensity inferred from the analyses of the Apollo samples and crust.

Weiss: A longstanding alternative hypothesis is that the source of the field was not the moon’s interior itself but rather meteoroid impacts on the surface. In particular, it was proposed that impact plasmas — highly conductive fluids produced by vaporization of the lunar surface — expanded around and engulfed the moon. As they did so, the plasmas would compress and amplify the interplanetary magnetic field, known as the solar wind. The fields would then be induced into the moon’s crust, and the enhanced field signal would then be seen in the soil on the other side of the moon. This hypothesis is supported, in part, by observations of four young, large craters that have strong and large magnetic signals on the opposite site of the moon.

Q: Looking at the impact plasmas model, how did you examine its plausibility, and why were you able to rule it out as a primary suspect?

Weiss: We tested this idea by conducting the first simulations of impact plasmas that self-consistently consider the physics governing the generation and decay of the magnetic field.

Oran: One of the reasons this hypothesis was not yet tested in this way was that the tools that we used belong to the discipline of space sciences nobody actually applied them to this problem before. Then, Ben, who researches paleomagnetism, and I joined forces to work on this together and showed that the impact plasmas hypothesis cannot work.

The evolution of magnetized plasmas is a complex process where the flow of plasma and the electromagnetic fields change in response to each other. It’s only by simultaneously simulating the plasmas and the magnetic field that you can get a realistic view of the process.

We found that whatever you do, however you play with it in terms of impact location, direction, and the direction of the initial field, you cannot create enough magnetic energy from these impact plasmas. That’s because we can think of the lunar body like this gigantic spherical resistor that basically kills off all the currents that these magnetic fields are trying to induce into it. Then, instead of having strong magnetic fields in the crust caused by the impact, we generate those fields, but they dissipate within minutes, so you end up heating the rock. So, we saw this completely opposite effect of what we originally set out to find.

Q: What does your finding tell us about the evolution of the moon, its magnetism and similar planetary bodies? And what questions remain?

Weiss: If the impact fields hypothesis were correct, it would mean that the remnant magnetization we find on the surface of the moon would essentially tell us nothing about the geophysical and thermal evolution of its interior. This would in turn have had profound implications for tracing out the magnetic history of the moon, and even for understanding the record of remnant magnetization found on other airless bodies like Mercury, which has cratering, and asteroids, which meteorites suggest could have crustal magnetization. Now that we have shown that the impact fields hypothesis is not likely to explain most of the lunar magnetism, this supports the core dynamo hypothesis for magnetism on the moon and other bodies.

Oran: Given that we now favor a lunar dynamo, the strong fields we see on the moon still demand an explanation, because a dynamo like the one we have on Earth, in which the core churns due to its own cooling, may not be sufficient. In recent years, some alternative dynamo theories were developed that might generate stronger fields, for example, stirring of the core by the wobbling of the overlying solid mantle.

Our most immediate followup study is to repeat the same type of simulations but, instead of a non-magnetically active body, we would allow the moon to generate its own core dynamo and then examine how impact plasmas would interact with such a field. Another issue to look at is if you can create an imprint at the impact site itself. One of those scenarios might give us a better match for the magnetizations that we see on the moon’s surface.

Also involved in the study were former MIT visiting professor Yuri Shprits of GFZ German Research Centre for Geosciences, former EAPS postdoc Katarina Miljković of Curtin University, and Gábor Tóth of the University of Michigan.

This research was funded, in part, by the NASA Solar System Workings Program, the NASA Solar System Exploration Virtual Institute, and the Skoltech Faculty Development Program for support.


Controversial New Paper Says The Moon May Have Once Been Able to Support Life

We may not need to travel far from our home planet to find a spot in our solar system that could once have supported life.

Long ago, Earth's Moon may have had conditions in which life could arise, according to a study published Monday in the journal Astrobiology.

In fact, such conditions could have arisen on the Moon during two different periods, each tens of millions of years long, the study suggests.

The authors are not saying that life ever existed on the Moon – just that the conditions that make life as we know it possible seem to have been in place billions of years ago.

When we look for signs of life on other planets and Moons, clues that can indicate a climate supportive to life include liquid water, an atmosphere that would help keep water stable on the surface, a magnetic field offering protection from solar and cosmic radiation, and organic compounds that could make up life's building blocks.

According to the study's authors, at least some of those key conditions could have existed simultaneously on the Moon.

"If liquid water and a significant atmosphere were present on the early Moon for long periods of time, we think the lunar surface would have been at least transiently habitable," Dirk Schulze-Makuch, a Washington State University astrobiologist and co-author of the study, said in a statement.

But astronauts and rovers have never found any evidence of life on the Moon, and even if organic material did once exist on our planet's satellite, we don't know if any traces remain.

How the Moon could have supported life

The idea that the Moon could once have been habitable is based on a series of discoveries, mostly made within the past decade, that show the Moon isn't as dry as we thought.

There's probably still water ice in polar craters and water deposits trapped in the Moon's interior.

Billions of years ago, there could have been good amounts of liquid water on the surface, the new study says.

To understand why, a bit of lunar history is needed. Sometime around when our solar system settled into its current layout – about 4.5 billion years ago – a proto-Earth and another planetary body likely collided and were vaporized, according to a paper published earlier this year.

As this theory goes, the super-heated doughnut of molten, vaporized rock and liquid – called a synestia – cooled, then the Moon emerged, after which the remaining cloud of vapour condensed to form the Earth.

For a long time after its formation, the Moon was largely molten, with an ocean of magma spewing gases into its sky.

Those gases could have been enough to create an atmosphere. As that molten ocean finished solidifying (around 4 billion years ago), there could also have been deep pools of liquid water on the Moon's surface.

That time period, the new study suggests, was the first time conditions on the Moon could have supported life.

The second time was during a period of intense volcanic activity 500 million years later – 3.5 billion years ago. That activity could have created an even more dense atmosphere with more water on the lunar surface, the study says.

According to calculations cited in the paper, there could have been liquid water on the surface for 70 million years during that period, especially if there was a magnetic field protecting the Moon from solar winds.

Where early life could have come from

During both of these time windows, life may have already existed on Earth. We still don't know how organic material first appeared on our home planet.

It could have been delivered to Earth by tiny meteorites, or life could have been the result of a chemical transformation at volcanic vents in Earth's oceans. Scientists also still don't know how common it is throughout the universe for conditions that support life to exist.

Some of the oldest evidence of life we have on Earth comes from fossilized microbes known as cyanobacteria. Somehow, certain precursor molecules – the chemical building blocks for life – fused together to form organic materials, which evolved eventually into those cyanobacteria.

We don't know exactly how long that process took, but some researchers have estimated that it was less than 10 million years.

By that logic, there could have been enough time for something similar to happen on the Moon. If organic material was there, life could have emerged during these two windows.

Even if there was no organic material on the Moon during those years, they were periods of intense meteoric activity. Schulze-Makuch and co-author Ian Crawford wrote in the study that it's "expected that meteorites blasted off the surface of the Earth will have landed on the Moon."

So those meteorites could have brought microorganisms with them, which might have survived the crash if slowed down by an atmosphere.

But many doubts still linger

Although the idea of life on the Moon is intriguing, we don't know if the factors noted in the study ever came together to enable life on the Moon. Any efforts to find out more would involve an "aggressive future program of lunar exploration," the study authors wrote.

Plus, even if there were relevant evidence on the Moon, chances are it's been destroyed by billions of years of cosmic radiation, solar winds, and meteorite strikes.

Future missions to the Moon could, however, collect samples from layers of the Moon that might provide evidence about these periods of volcanic activity. Lunar explorers could also eventually collect samples from the craters that still might hold ice.

Further research could also involve simulation chambers that would mimic the Moon's conditions to see if life could have survived.

Regardless of any potential next steps, the researchers behind the study think their work at least shows life could have existed on the Moon during these two periods.

"It looks very much like the Moon was habitable at this time," Schulze-Makuch said.

"There could have actually been microbes thriving in water pools on the Moon until the surface became dry and dead."

This article was originally published by Business Insider.


Moon’s Magnetic Field May Have Lasted 2 Billion Years

New measurements of lunar rocks have demonstrated that the ancient moon generated a dynamo magnetic field in its liquid metallic core (innermost red shell). The results raise the possibility of two different mechanisms — one that may have driven an earlier, much stronger dynamo, and a second that kept the moon’s core simmering at a much slower boil toward the end of its lifetime.

New findings from MIT suggest two mechanisms may have powered the moon’s ancient churning, extending the lunar dynamo’s lifetime by at least 1 billion years.

New evidence from ancient lunar rocks suggests that an active dynamo once churned within the molten metallic core of the moon, generating a magnetic field that lasted at least 1 billion years longer than previously thought. Dynamos are natural generators of magnetic fields around terrestrial bodies, and are powered by the churning of conducting fluids within many stars and planets.

In a paper published in Science Advances, researchers from MIT and Rutgers University report that a lunar rock collected by NASA’s Apollo 15 mission exhibits signs that it formed 1 to 2.5 billion years ago in the presence of a relatively weak magnetic field of about 5 microtesla. That’s around 10 times weaker than Earth’s current magnetic field but still 1,000 times larger than fields in interplanetary space today.

Several years ago, the same researchers identified 4-billion-year-old lunar rocks that formed under a much stronger field of about 100 microtesla, and they determined that the strength of this field dropped off precipitously around 3 billion years ago. At the time, the researchers were unsure whether the moon’s dynamo — the related magnetic field — died out shortly thereafter or lingered in a weakened state before dissipating completely.

The results reported today support the latter scenario: After the moon’s magnetic field dwindled, it nonetheless persisted for at least another billion years, existing for a total of at least 2 billion years.

Study co-author Benjamin Weiss, professor of planetary sciences in MIT’s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS), says this new extended lifetime helps to pinpoint the phenomena that powered the moon’s dynamo. Specifically, the results raise the possibility of two different mechanisms — one that may have driven an earlier, much stronger dynamo, and a second that kept the moon’s core simmering at a much slower boil toward the end of its lifetime.

The Apollo 15 moon rock sample, which was analyzed by MIT and Rutgers University researchers, consists of basalt fragments welded together by a dark glassy matrix that was produced by melting from a meteorite impact. The black scale cube is 1 centimeter across.

“The concept of a planetary magnetic field produced by moving liquid metal is an idea that is really only a few decades old,” Weiss says. “What powers this motion on Earth and other bodies, particularly on the moon, is not well-understood. We can figure this out by knowing the lifetime of the lunar dynamo.”

Weiss’ co-authors are lead author Sonia Tikoo, a former MIT graduate student who is now an assistant professor at Rutgers David Shuster of the University of California at Berkeley Clément Suavet and Huapei Wang of EAPS and Timothy Grove, the R.R. Schrock Professor of Geology and associate head of EAPS.

Apollo’s glassy recorders

Since NASA’s Apollo astronauts brought back samples from the lunar surface, scientists have found some of these rocks to be accurate “recorders” of the moon’s ancient magnetic field. Such rocks contain thousands of tiny grains that, like compass needles, aligned in the direction of ancient fields when the rocks crystallized eons ago. Such grains can give scientists a measure of the moon’s ancient field strength.

Until recently, Weiss and others had been unable to find samples much younger than 3.2 billion years old that could accurately record magnetic fields. As a result, they had only been able to gauge the strength of the moon’s magnetic field between 3.2 and 4.2 billion years ago.

“The problem is, there are very few lunar rocks that are younger than about 3 billion years old, because right around then, the moon cooled off, volcanism largely ceased and, along with it, formation of new igneous rocks on the lunar surface,” Weiss explains. “So there were no young samples we could measure to see if there was a field after 3 billion years.”

There is, however, a small class of rocks brought back from the Apollo missions that formed not from ancient lunar eruptions but from asteroid impacts later in the moon’s history. These rocks melted from the heat of such impacts and recrystallized in orientations determined by the moon’s magnetic field.

Weiss and his colleagues analyzed one such rock, known as Apollo 15 sample 15498, which was originally collected on August 1, 1971, from the southern rim of the moon’s Dune Crater. The sample is a mix of minerals and rock fragments, welded together by a glassy matrix, the grains of which preserve records of the moon’s magnetic field at the time the rock was assembled.

“We found that this glassy material that welds things together has excellent magnetic recording properties,” Weiss says.

Baking rocks

The team determined that the rock sample was about 1 to 2.5 billion years old — much younger than the samples they previously analyzed. They developed a technique to decipher the ancient magnetic field recorded in the rock’s glassy matrix by first measuring the rock’s natural magnetic properties using a very sensitive magnetometer.

They then exposed the rock to a known magnetic field in the lab, and heated the rock to close to the extreme temperatures in which it originally formed. They measured how the rock’s magnetization changed as they increased the surrounding temperature.

“You see how magnetized it gets from getting heated in that known magnetic field, then you compare that field to the natural magnetic field you measured beforehand, and from that you can figure out what the ancient field strength was,” Weiss explains.

The researchers did have to make one significant adjustment to the experiment to better simulate the original lunar environment, and in particular, its atmosphere. While the Earth’s atmosphere contains around 20 percent oxygen, the moon has only imperceptible traces of the gas. In collaboration with Grove, Suavet built a customized, oxygen-deprived oven in which to heat the rocks, preventing them from rusting while at the same time simulating the oxygen-free environment in which the rocks were originally magnetized.

“In this way, we finally have gotten an accurate measurement of the lunar field,” Weiss says.

From ice cream makers to lava lamps

From their experiments, the researchers determined that, around 1 to 2.5 billion years ago, the moon harbored a relatively weak magnetic field, with a strength of about 5 microtesla — two orders of magnitude weaker than the moon’s field around 3 to 4 billion years ago. Such a dramatic dip suggests to Weiss and his colleagues that the moon’s dynamo may have been driven by two distinct mechanisms.

Scientists have proposed that the moon’s dynamo may have been powered by the Earth’s gravitational pull. Early in its history, the moon orbited much closer to the Earth, and the Earth’s gravity, in such close proximity, may have been strong enough to pull on and rotate the rocky exterior of the moon. The moon’s liquid center may have been dragged along with the moon’s outer shell, generating a very strong magnetic field in the process.

It’s thought that the moon may have moved sufficiently far away from the Earth by about 3 billion years ago, such that the power available for the dynamo by this mechanism became insufficient. This happens to be right around the time the moon’s magnetic field strength dropped. A different mechanism may have then kicked in to sustain this weakened field. As the moon moved away from the Earth, its core likely sustained a low boil via a slow process of cooling over at least 1 billion years.

“As the moon cools, its core acts like a lava lamp — low-density stuff rises because it’s hot or because its composition is different from that of the surrounding fluid,” Weiss says. “That’s how we think the Earth’s dynamo works, and that’s what we suggest the late lunar dynamo was doing as well.”

The researchers are planning to analyze even younger lunar rocks to determine when the dynamo died off completely.

“Today the moon’s field is essentially zero,” Weiss says. “And we now know it turned off somewhere between the formation of this rock and today.”

This research was supported, in part, by NASA.

Publication: Sonia M. Tikoo, et al., “A two-billion-year history for the lunar dynamo,” Science Advances 09 Aug 2017: Vol. 3, no. 8, e1700207 DOI: 10.1126/sciadv.1700207


Earth And The Moon Once Shared A Magnetic Shield

Four-and-a-half billion years ago, Earth's surface was a menacing, hot mess. Long before the emergence of life, temperatures were scorching, and the air was toxic.

Plus, as a mere toddler, the Sun bombarded our planet with violent outbursts of radiation called flares and coronal mass ejections. Streams of charged particles called the solar wind threatened our atmosphere. Our planet was, in short, uninhabitable.

But a neighboring shield may have helped our planet retain its atmosphere and eventually go on to develop life and habitable conditions. That shield was the Moon, says a NASA-led study in the journal Science Advances.

"The Moon seems to have presented a substantial protective barrier against the solar wind for the Earth, which was critical to Earth's ability to maintain its atmosphere during this time," said Jim Green, NASA's chief scientist and lead author of the new study. "We look forward to following up on these findings when NASA sends astronauts to the Moon through the Artemis program, which will return critical samples of the lunar South Pole."

A brief history of the Moon

The Moon formed 4.5 billion years ago when a Mars-sized object called Theia slammed into the proto-Earth when our planet was less than 100 million years old, according to leading theories. Debris from the collision coalesced into the Moon, while other remnants reincorporated themselves into the Earth. Because of gravity, the presence of the Moon stabilized the Earth's spin axis. At that time, our planet was spinning much faster, with one day lasting only 5 hours.

And in the early days, the Moon was a lot closer, too. As the Moon's gravity pulls on our oceans, the water is slightly heated, and that energy gets dissipated. This results in the Moon moving away from Earth at a rate of 1.5 inches per year, or about the width of two adjacent dimes. Over time, that really adds up. By 4 billion years ago, the Moon was three times closer to Earth than it is today - about 80,000 miles away, compared to the current 238,000 miles. At some point, the Moon also became "tidally locked," meaning Earth sees only one side of it.

Scientists once thought that the Moon never had a long-lasting global magnetic field because it has such a small core. A magnetic field causes electrical charges to move along invisible lines, which bow down toward the Moon at the poles. Scientists have long known about Earth's magnetic field, which creates the beautifully colored aurorae in the Arctic and Antarctic regions.

A magnetic field serves as a shield causing electrical charges to move along its invisible lines. Scientists have long known about Earth's magnetic field, which causes the beautifully colored aurorae in the Arctic and Antarctic regions. The movement of liquid iron and nickel deep inside the Earth, still flowing because of the heat left over from Earth's formation, generates the magnetic fields that make up a protective bubble surrounding Earth, the magnetosphere.

But thanks to studies of samples of the lunar surface from the Apollo missions, scientists figured out that the Moon once had a magnetosphere, too. Evidence continues to mount from samples that were sealed for decades and recently analyzed with modern technology.

Like Earth, the heat from the Moon's formation would have kept iron flowing deep inside, although not for nearly as long because of its size.

"It's like baking a cake: You take it out of the oven, and it's still cooling off," Green said. "The bigger the mass, the longer it takes to cool off."

The new study simulates how the magnetic fields of the Earth and Moon behaved about 4 billion years ago. Scientists created a computer model to look at the behavior of the magnetic fields at two positions in their respective orbits.

At certain times, the Moon's magnetosphere would have served as a barrier to the harsh solar radiation raining down on the Earth-Moon system, scientists write. That's because, according to the model, the magnetospheres of the Moon and Earth would have been magnetically connected in the polar regions of each object. Importantly for the evolution of Earth, the high-energy solar wind particles could not completely penetrate the coupled magnetic field and strip away the atmosphere.

But there was some atmospheric exchange, too. The extreme ultraviolet light from the Sun would have stripped electrons from neutral particles in Earth's uppermost atmosphere, making those particles charged and enabling them to travel to the Moon along the lunar magnetic field lines. This may have contributed to the Moon maintaining a thin atmosphere at that time, too. The discovery of nitrogen in lunar rock samples support the idea that Earth's atmosphere, which is dominated by nitrogen, contributed to the Moon's ancient atmosphere and its crust.

Scientists calculate that this shared magnetic field situation, with Earth and Moon's magnetospheres joined, could have persisted from 4.1 to 3.5 billion years ago.

"Understanding the history of the Moon's magnetic field helps us understand not only possible early atmospheres, but how the lunar interior evolved," said David Draper, NASA's deputy chief scientist and study co-author. "It tells us about what the Moon's core could have been like -- probably a combination of both liquid and solid metal at some point in its history -- and that is a very important piece of the puzzle for how the Moon works on the inside."

Over time, as the Moon's interior cooled, our nearest neighbor lost its magnetosphere, and eventually its atmosphere. The field must have diminished significantly 3.2 billion years ago, and vanished by about 1.5 billion years ago. Without a magnetic field, the solar wind stripped the atmosphere away. This is also why Mars lost its atmosphere: Solar radiation stripped it away.

If our Moon played a role in shielding our planet from harmful radiation during a critical early time, then in a similar way, there may be other moons around terrestrial exoplanets in the galaxy that help preserve atmospheres for their host planets, and even contribute to habitable conditions, scientists say. This would be of interest to the field of astrobiology - the study of the origins of life and the search for life beyond Earth.

Human exploration can tell us more

This modeling study presents ideas for how the ancient histories of Earth and Moon contributed to the preservation of Earth's early atmosphere. The mysterious and complex processes are difficult to figure out, but new samples from the lunar surface will provide clues to the mysteries.

As NASA plans to establish a sustainable human presence on the Moon through the Artemis program, there may be multiple opportunities to test out these ideas. When astronauts return the first samples from the lunar South Pole, where the magnetic fields of the Earth and Moon connected most strongly, scientists can look for chemical signatures of Earth's ancient atmosphere, as well as the volatile substances like water that were delivered by impacting meteors and asteroids. Scientists are especially interested in areas of the lunar South Pole that have not seen any sunlight at all in billions of years -- the "permanently shadowed regions" - because the harsh solar particles would not have stripped away volatiles.

Nitrogen and oxygen, for example, may have traveled from Earth to Moon along the magnetic field lines and gotten trapped in those rocks.

"Significant samples from these permanently shadowed regions will be critical for us to be able to untangle this early evolution of the Earth's volatiles, testing our model assumptions," Green said.

The other co-authors on the paper are Scott Boardsen from the University of Maryland, Baltimore County and Chuanfei Dong from Princeton University in New Jersey.