Maanatmosfeer vanaf aarde te zien

Dit jaar is het twintig jaar geleden dat astronauten voor het laatst de maan bezochten. Een periode van actief maanonderzoek werd afgesloten. Een recent nummer van Geophysical Research Letters (vol. 18, no. 11) is in het kader van deze "verjaardag' voor een groot deel aan maanonderzoek gewijd: Lunar Science Twenty Years After Apollo. In ruim 20 artikelen worden recente ontwikkelingen in het maanonderzoek beschreven. De meest spectaculaire hebben betrekking op de "atmosfeer' van de maan, die nu zelfs vanaf de aarde te zien is.

Gewoonlijk zegt men dat de maan géén atmosfeer heeft, maar dat is niet helemaal waar. Vergeleken met op aarde heerst er op de maan inderdaad een vacuüm, maar met zeer gevoelige instrumenten zijn er toch gassen te detecteren. De eerste spoortjes werden geregistreerd tijdens de Apollo-17 vlucht in december 1972: helium, neon en argon. Van andere elementen, zoals waterstof, zuurstof, koolstof en stikstof, konden slechts bovengrenzen worden bepaald.

De aantrekkingskracht van de maan is te gering om een echte atmosfeer, zoals die van de aarde, Mars en Venus, vast te houden. Hun atmosfeer ontstond in een ver verleden door vulkanisme en ontgassing van het gesteente. De atmosfeer van de maan is echter afkomstig uit de geladen deeltjes die van de zon vandaan vliegen, de zonnewind, en ingewikkelde interacties met het maanoppervlak ondergaan. De druk van deze "dampkring' is kleiner dan een miljoenste van een miljardste atmosfeer. In het laboratorium noemt men dit een superhoog vacuüm.

Tot voor kort was dit vrijwel alles wat men van de maanatmosfeer wist. In 1984 werden er echter vanaf de aarde spoortjes natrium en kalium boven Mercurius waargenomen. Ook deze (kleine) planeet kan geen echte atmosfeer vasthouden en plukt alleen wat gasatomen uit de zonnewind. Het natrium en kalium zouden echter wel van de planeet komen. De atomen zouden door de inslag van micrometeorieten en de straling en elektrisch geladen deeltjes van de zon uit het oppervlak worden vrijgemaakt.

Direct na deze ontdekking vroeg men zich af of deze gassen ook in de maanatmosfeer zouden voorkomen. Die vraag werd in 1988 bevestigend beantwoord. Spectra van de maan wijzen op de verstrooiing van zonlicht door natrium- en kaliumatomen. De dichtheid is uiterst gering: in een kubieke centimeter bevinden zich slechts enkele tientallen atomen. Maar in tegenstelling tot de andere gassen zijn wel vanaf de aarde meetbaar.

Ook het natrium- en kaliumgas op de maan zijn afkomstig van de bodem. De atomen komen vrij tijdens de inslag van micrometeorieten, waarbij zowel bodem- als meteorietgesteente verdampt.

In feite is de atmosfeer van de maan toch weer anders dan die van Mercurius. Natrium en zuurstof, op Mercurius hoofdbestanddelen, zijn op de maan minieme componenten. De verhouding tussen de concentraties natrium en kalium in de maanatmosfeer komt vrijwel overeen met die in het gesteente, maar bij Mercurius is dat niet het geval. Dit zou kunnen betekenen dat de samenstelling van de maanbodem aanzienlijk verschilt van die van Mercurius, ook al hebben die werelden veel gemeen.

De dichtheid van de maanatmosfeer is zo gering, dat er vrijwel geen botsingen tussen gasmoleculen plaatsvinden. Daarom spreekt men ook wel over een exosfeer. De uit de maanbodem "gelanceerde' atomen beschrijven in eerste instantie kogelbanen, met sprongen die gemiddeld 20 minuten duren. En dat kan zich vele malen herhalen.

Naast de aantrekkingskracht van de maan werkt echter ook de stralingsdruk van de zon. Deze duwt de atomen terug of in zijwaartse richting, afhankelijk van de stand van de zon. Tijdens zijn sprongen zal een atoom dus de neiging hebben om zich in een richting van de zon af te verplaatsen. En aangezien de ontsnappingssnelheid op de maan slechts 2,38 km/s bedraagt, kunnen gasdeeltjes door deze druk van het zonlicht ook naar de ruimte ontsnappen.

W.H. Ip, van het Max-Planck-Institut für Aeronomie in Lindau, heeft met een computermodel de banen van de in alle richtingen gelanceerde gasdeeltjes en dus de "vorm' van de natriumatmosfeer berekend. Atomen met snelheden flink onder de ontsnappingssnelheid bereiken geen grote hoogte. Bij snelheden groter dan 2 km/s kunnen sommige deeltjes een hoogte van een paar duizend kilometer bereiken en soms door de druk van het zonlicht voorgoed de ruimte in verdwijnen. De maan zou dus een "staart' van natriumgas moeten hebben.

Deze theoretische berekeningen konden in 1991 fraai worden bevestigd door astronomen van de universiteit van Boston. Deze hadden in 1990 met een zogeheten beeldvormende spectrograaf een schijf van natriumgas rond de reuzenplaneet Jupiter ontdekt. Dit gas is afkomstig van Io, een van de grote satellieten, die op een afstand van 425.000 km om de planeet draait. Geisers op deze maan blazen natrium en andere gassen weg, die niet alleen in de baan van Io achterblijven, maar ook een reusachtige schijf met een diameter van minstens 30 miljoen km rond Jupiter vormen.

Aangemoedigd door deze ontdekking namen de astronomen vervolgens onze maan onder de loep. Zij deden dat met een telescoopje van slechts 10 (!) cm diameter, voorzien van een zeer gevoelige elektronische camera. Filters zorgden er voor dat alleen straling van natriumatomen werd doorgelaten.

De opnamen laten zien dat de maan in feite geheel gehuld is in natriumgas. In de richting van de zon strekt deze ijle atmosfeer zich uit tot op circa vijfmaal de straal van de maan en in tegenovergestelde richting tot op 15 à 20 maal de straal van de maan. De maanatmosfeer heeft dus de vorm van een komeet, met een heldere "coma' en een lange "staart'. Uit de hoogte in de richting van de zon leidt men af dat de atomen met een snelheid van 2,2 km/s de maanbodem verlaten, dus met bijna de ontsnappingssnelheid.

Het zichtbaar maken van de atmosfeer rond de maan is niet alleen een nieuwe record-prestatie. Onderzoek aan deze atmosfeer kan weer leiden tot een beter inzicht in soortgelijke atmosferen rond andere objecten in het zonnestelsel. Komeetkernen, sommige ijsmanen van de reuzenplaneten en de kleine planeet Pluto hebben alle een ijle "atmosfeer' die door verdamping van oppervlaktemateriaal in stand wordt gehouden. Zulke atmosferen zeggen iets over het oppervlak en over de interactie met de straling en geladen deeltjes van de zon en eventuele magnetische velden en stralingsgordels.

Astronomen van de universiteit van Arizona suggereren dat met de atmosfeer van de maan zelfs meteoorzwermen zouden kunnen worden opgespoord. Zij bemerkten dat in oktober 1990 boven de zuidpool van de maan de natriumconcentratie twee dagen lang tweemaal zo hoog was als normaal, terwijl er elders niets veranderde. Volgens de astronomen zou er toen extra gas uit de maanbodem zijn vrijgemaakt door een onbekende meteoorzwerm die vanaf de aarde niet gesignaleerd was. Zij suggereren dat er door het "bewaken' van de maanatmosfeer wellicht nog meer van zulke zwermen ontdekt kunnen worden.

Foto: Wat geen oog ooit heeft gezien en nooit zal kunnen zien: de atmosfeer van natriumgas rond de maan, ijler dan een aards vacuüm. De opname werd gemaakt door een filter dat alleen de straling van natriumatomen doorlaat. Om geen last te hebben van het felle licht van de maan zelf, werd er steeds "naast' de maan gekeken en werd het maanbeeldje pas naderhand ter oriëntering ingemonteerd. De natriumatmosfeer blijkt de vorm van een komeet te hebben, met een heldere, rond de maan gecentreerde "coma' en een lange "staart' die van de zon af is gericht. (Foto Michael Mendillo, Boston University)