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Erde und Mond teilten sich einst ein gemeinsames, schützendes Magnetfeld
Andreas Müller
4 min
Grafische Darstellung der einst verbundenen Magnetosphären von Erde und Mond (Illu.). Copyright: NASA
Washington (USA) – Vor rund 4,5 Milliarden Jahren war die Oberfläche unseres Heimatplaneten noch heiß und unwirtlich. Lange bevor das Leben auf der Erde erschien, waren die Temperaturen siedend und die Luft giftig – hinzu bombardierte die ebenfalls noch junge Sonne den Planeten mit hoher Strahlung in Form von Sonnenstürmen und koronalen Masseauswürfen. Zugleich besaß aber auch unser Mond ein eigenes Magnetfeld, das sich mit der der jungen Erde verband und so einen wichtigen Teil dazu beitrug, dass unser Planet seine Atmosphäre halten und nach und nach lebensfreundliche Bedingungen entwickeln konnten.
Wie das Forscherteam um den NASA-Chefwissenschaftler Jim Green vom aktuell im Fachjournal „Science Advances“ (DOI: 10.1126/sciadv.abc0865) berichtet, scheint der Mond eine Art Schutzwall für die Erde gegen die schädlichen Sonnenwinde der noch jungen und deutlich aktiveren Sonne gebildet zu haben. „Dieser Schutzschild war eine der Grundvoraussetzungen für die Erde, ihre Atmosphäre über diese aktive Zeit hinaus zu halten.“
Grafische Darstellung der Feldlinien des heutigen Erdmagnetfeldes (Illu.): Copyright: NASA
Hintergrund Der Mond bildete sich vor rund 4,5 Milliarden Jahren, al sein etwa Mars-großes Objekt (Theia) mit der noch jungen Proto-Erde zusammenstieß, als unserer Planet gerade einmal 100 Millionen Jahre alt war – so zumindest die derzeit am meisten anerkannte Theorie zu Mondentstehung. Trümmer dieses Zusammenstoßes, fanden sich in einer Umlaufbahn zum Mond zusammen, während andere wiederum zu einem Teil der Erde wurden.
Heutige Ansicht des Halbmondes am Nachthimmel. Copyright: A.Müller/grenzwissenschaft-aktuell.de
Aufgrund seiner Schwerkraft, bildet unser Mond ein stabilisierendes Moment für die Ausrichtung der Rotationsachse der Erde. In der Frühphase des Erde-Mnd-Systems rotierte unser Planet noch deutlich schneller um diese Achse. Ein Tag dauert gerade einmal 5 Stunden. Zudem war der Mond in diesen frühen Tagen der Erde sehr viel näher als heute. Da die Schwerkraft des Mondes am Wasser unserer Ozeane zieht, erzeugt sie so Ebbe und Flut und bremst die Erdrotation allmählich ab. Der Drehimpuls der Erdrotation wird dabei auf den Trabanten übertragen, wodurch Mond und Erde sich langsam um etwa 3-4 Zentimeter pro Jahr voneinander entfernen. Nach und nach summierte sich diese Distanz auf die heutige Entfernung. Vor rund 4 Milliarden Jahren war der Mond der Erde aber noch rund dreimal näher als heute – das entspricht rund 129.000 Kilometern im Vergleich zum heutigen Abstand von rund 383.000 Kilometern. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Mond auch an die Erde „gezeitengebunden“, d. h., dass seine Rotation sich derart an die der Erde anpasste, dass immer die gleiche Mondseite Richtung Erde weist. Wissenschaftler dachten einst, dass der Mond selbst nie ein langwährendes globales Magnetfeld besaß, weil sein Kern dafür zu klein wäre. Ein Magnetfeld verursacht elektrische Ladung, die entlang unsichtbarer Linien wandern und sich über den Polen Richtung Mond biegen. Das Magnetfeld der Erde ist der Wissenschaft schon lange bekannt, nicht zuletzt durch die farbenfrohen Polarlichter in den arktischen und antarktischen Regionen. Erzeugt wird das Magnetfeld durch die Bewegung von flüssigem Eisen- und Nickel tief im Innern der Erde – ein Prozess, der noch aus der Zeit der Entstehung der Erde selbst stammt. Zugleich stellt das planetare Magnetfeld in Form der sogenannten Magnetosphäre eine Art Schutzschild unseres Planeten dar.
Dank früherer Untersuchungen von Mond-Bodenproben durch die Apollo-Missionen, wissen Wissenschaftler mittlerweile aber auch, dass auch der Mond einst eine Magnetosphäre besaß. Wie einst auf der Erde, so dürfte die bei der Mondentstehung erzeugte Hitze Eisen im Innern des neuen Erdtrabanten in Fluss gebracht haben – wenn auch, aufgrund der geringeren Größe des Mondes, nicht so lange. „Man könnte das mit einem Kuchen vergleichen: Sie nehmen ihn aus dem Ofen und er muss abkühlen. Je größer aber der Kuchen, desto länger dauert dieser Vorgang“, erläutert Green.
(Quelle: NASA)
In ihrer neuen Studie nutzen die NASA-Wissenschaftler nun Simulationen des Verhaltens der Magnetfelder von Erde und Mond vor rund 4 Milliarden Jahren. Das Ergebnis zeigt: „Zu bestimmten Zeiten diente die Magnetosphäre des Mondes als Hindernis für die starke solare Strahlung, die auf das Erde-Mond-System einwirkte“, so die Autoren der Studie. Dies liegt daran, dass die beiden Magnetosphären über die Polregionen der beiden Himmelskörper miteinander verbunden waren. „Für die Entwicklung der Erde besonders wichtig daran war, dass auf diese Weise die hochenergetischen Teilchen des Sonnenwindes nicht vollständig in das Magnetfeld eindringen und so die frühe Atmosphäre mit fortreißen konnten. Dennoch gab es aber einen atmosphärischen Austausch: Das extreme ultraviolette Licht der Sonne riss Elektronen von neutralen Teilchen in der obersten Erdatmosphäre heraus, wodurch diese Teilchen dann geladen wurden und es ihnen so möglich war, entlang der Feldlinien zum Mond zu gelangen. Dies könnte dazu beigetragen haben, dass sich die dünne Atmosphäre des Mondes bis heute erhalten hat. Tatsächlich stützt der Nachweis von Stickstoff in Mondproben die Vorstellung, dass die einst von Stickstoff dominierte Erdatmosphäre zur einstigen Atmosphäre des Mondes beigetragen hat.“
Die Forscher vermuten, dass die beiden Magnetfelder vor 4,1 bis 3,5 Milliarden Jahren miteinander verbunden waren (s. Titelabbildung). „Ein besseres Verständnis des Magnetfeldes des Mondes hilft uns nicht nur dabei, die möglichen frühen Atmosphären zu verstehen, sondern ermöglichen uns auch ein besseres Bild davon, wie sich das Innere des Mondes entwickelt hat“, erklärt NASA-Mitautor David Draper. „Es sagt uns etwas darüber, wie sich der Mondkern verhalten hat – möglicherweise in einer Kombination von sowohl flüssigem als auch festen Metallen.“
Grafische Darstellung des einstigen lunaren Magnetfeldes (Illu.). Copyright: NASA
Nach und nach hat sich das Mondinnere dann abgekühlt. Der Mond verlor so auch sein Magnetfeld und auch seine bis dahin eventuell vorhandene dichtere Atmosphäre. Laut den neuen Simulationen begann das lunare Magnetfeld wohl vor rund 3,2 Jahren zu schwinden und kam vor rund 1,5 Milliarden Jahren völlig zum Erliegen. „Ohne diesen Schutzschild, konnte der Sonnenwind ungehindert die Mondatmosphäre mit sich reißen. Auf ähnliche Weise verlor auch der Mars seine Atmosphäre. Sie wurde von der Sonnenstrahlung fortgerissen.“
„Wenn also unser Mond eine wichtige Rolle als Schutzschild in der für das Erdenleben kritischen Phase gespielt hat – wie es die Simulationen zeigen – so wäre es auch möglich, dass andere Monde, die erdartige Exoplaneten umkreisen, eine ähnliche Funktion übernommen haben und die Atmosphären ihrer Planeten und so auch mögliches Leben darauf geschützt haben oder heute noch schützen“, so die Autoren und Autorinnen der aktuellen Studie abschließend. „Das ist ein interessanter Aspekt für die Astrobiologie, also die Studie und Suche nach außerirdischem Leben.”
Wissenschaftler hoffen nun auf zukünftige Mondmissionen, die neue Bodenproben vom Erdtrabanten und dessen Polen zur Erde bringen.
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