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Erdanziehung könnte Mondvulkane länger befeuert haben
Rätselhafte Lava: Noch vor rund zwei Milliarden Jahren entstanden auf dem Mond vulkanische Gesteine, obwohl sein Inneres längst stark abgekühlt sein müsste. Eine neue Simulation zeigt nun, wie die Schwerkraft der Erde einst besonders tief im Mondmantel Wärme erzeugt haben könnte. Diese frühe Energiequelle könnte auch die Voraussetzungen für den späten Vulkanismus geschaffen haben.
Guiyang (China). Der Mond wirkt heute erstarrt, doch seine Oberfläche erzählt von einer erstaunlich langen vulkanischen Vergangenheit. Proben der chinesischen Mission Chang’e-5 stammen aus Gesteinen, die erst vor etwa zwei Milliarden Jahren aus geschmolzenem Material entstanden. Für einen vergleichsweise kleinen Himmelskörper ist das ungewöhnlich spät.
Die Wärme aus der Entstehungszeit des Mondes konnte nicht unbegrenzt erhalten bleiben. Auch der Zerfall radioaktiver Elemente gilt für sich genommen als unzureichende Erklärung für diese jungen Basalte. Eine mögliche zusätzliche Energiequelle liegt außerhalb des Mondes: die wechselnde Anziehungskraft der Erde.
Eine Arbeitsgruppe um Prof. Yun Liu vom Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences (IGCAS) hat nun untersucht, wie viel Wärme die Erde im jungen Mond erzeugen konnte. Dafür kombinierte das Team ein dreidimensionales Modell der Gezeitenverformung mit Simulationen der Wärmeentwicklung und der Strömungen im Mondmantel. Entscheidend war, dass das Gestein in verschiedenen Tiefen unterschiedlich leicht verformbar ist.
Gezeiten erwärmen Gestein, wenn die wechselnde Gravitation einen Himmelskörper immer wieder verformt und dabei Energie in Wärme umwandelt. Vor etwa 3,2 Milliarden Jahren stand der Mond der Erde nach den verwendeten Rekonstruktionen deutlich näher als heute und benötigte ungefähr 16 Tage für einen Umlauf. Die stärkere Gezeitenwirkung könnte damals im tiefen Mondmantel besonders große Wärmemengen freigesetzt haben.
Besonders wichtig ist dabei eine vergleichsweise leicht verformbare Zone nahe der Grenze zwischen dem metallischen Kern und dem Gesteinsmantel. Im Modell konzentriert sie die Gezeitenwärme auf zwei annähernd symmetrische Bereiche in Äquatornähe. Diese sogenannten Gezeitenwärmeanomalien sind bisher jedoch keine direkt nachgewiesenen heißen Regionen, sondern ein Ergebnis der Berechnungen.
Wie stark die Erwärmung ausfällt, hängt vor allem von der Form der Mondbahn ab. Für einen stark elliptischen Orbit mit einer Exzentrizität von 0,5 berechnet das Modell vor 3,2 Milliarden Jahren rund 150 Gigawatt Gezeitenleistung in einer Zone, die lediglich etwa 2,5 Prozent des Mantelvolumens umfasst. Der radioaktive Zerfall liefert dort im selben Szenario nur rund 34,9 Gigawatt, also weniger als ein Viertel der Gezeitenwärme.
Bei einem deutlich kreisförmigeren Orbit mit einer Exzentrizität von 0,05 fällt der berechnete Gezeitenbeitrag dagegen wesentlich geringer aus. Die Gegenüberstellung zeigt, wie stark das Ergebnis von der nur unvollständig bekannten damaligen Mondbahn abhängt. Vor allem die besonders hohe Wärmeleistung setzt eine ausgeprägt elliptische Bahn voraus.
In den berechneten Wärmezonen könnte das tiefe Mantelgestein durch anhaltende Gezeitenkräfte um mehrere Hundert Grad erwärmt worden sein. Aufsteigende Strömungen heißen Gesteins, sogenannte Mantelplumes, könnten so Material aus großer Tiefe in höhere Schichten transportiert haben. Dort wäre es leichter geschmolzen und hätte die Bildung ausgedehnter Lavafelder begünstigt.
Besonders gut passt dieser Mechanismus laut Modell zu älteren, titanreichen Mondbasalten, wie sie von den Apollo-Missionen 11 und 17 stammen. Solche Gesteine könnten aus Material hervorgegangen sein, das nach der Erstarrung eines frühen Magmaozeans tief in den Mond abgesunken war. Die Gezeitenheizung hätte dieses dichte Material erneut in Bewegung gesetzt und teilweise in höhere Mantelbereiche befördert.