Mond

Überblick und grundlegende Daten

Der Mond ist der einzige bekannte natürliche Satellit der Erde; zur Unterscheidung von anderen Planetenmonden wird er auch Erdmond genannt. Mit einem mittleren Durchmesser von 3474,2 km ist er der fünftgrößte bekannte Mond des Sonnensystems. Sein Durchmesser beträgt mehr als ein Viertel des Erddurchmessers. Der mittlere Abstand zur Erde liegt bei rund 384.400 km, etwa 30 Erddurchmessern. Wegen dieser Nähe ist er der am besten erforschte fremde Himmelskörper und bisher der einzige, den Menschen betreten haben.

Der Mond hat eine Masse von etwa 7,349 · 10²² kg, eine mittlere Dichte von 3,344 g/cm³ und eine Oberfläche von etwa 37,9 Millionen km². Die Fallbeschleunigung an seiner Oberfläche beträgt 1,62 m/s², die Fluchtgeschwindigkeit 2380 m/s. Seine Albedo, also die Rückstrahlfähigkeit, beträgt nur 0,12: Der Mond ist tatsächlich dunkelgrau; hell wirkt er vor allem im Kontrast zum Nachthimmel.

Das weithin anerkannte Entstehungsmodell besagt, dass vor etwa 4,5 Milliarden Jahren der marsgroße Protoplanet Theia nahezu streifend mit der Protoerde kollidierte. Aus ausgeworfenem Material, vor allem aus Erdkruste und Mantel des Impaktors, bildete sich in einer Umlaufbahn der Mond. Dabei war er zunächst von einem Magmaozean bedeckt; leichtere Minerale bildeten später die Kruste der heutigen Hochländer. Die Datierung des Mondalters ist nicht einheitlich: Eine Untersuchung ergab 4527 ± 10 Millionen Jahre, neuere Untersuchungen 4425 ± 25 Millionen Jahre.

Bahn, Rotation und Mondphasen

Die Mondbahn ist elliptisch. Der Abstand schwankt zwischen 363.300 km am Perigäum, dem erdnächsten Punkt, und 405.500 km am Apogäum, dem erdfernsten Punkt; die Exzentrizität beträgt 0,0549. Erde und Mond umkreisen ihren gemeinsamen Schwerpunkt, das Baryzentrum. Dieses liegt noch im Erdmantel. Der Mond bewegt sich prograd, also im gleichen Drehsinn wie die Erdrotation, von Westen nach Osten vor dem Fixsternhintergrund. Deshalb geht er zwar wie Sonne und Sterne im Osten auf und im Westen unter, sein scheinbarer Umlauf dauert aber etwa 50 Minuten länger als 24 Stunden.

Die Mondbahn ist etwa 5,2° gegen die Ekliptik, die scheinbare Sonnenbahn, geneigt. Ihre Knoten sind die Durchgänge durch die Ekliptik. Die Knoten wandern rückläufig in 18,61 Jahren um die Erde. Fällt Neumond oder Vollmond nahe einen Knoten, kann eine Sonnen- beziehungsweise Mondfinsternis entstehen. Die Perigäumsrichtung dreht sich in 8,85 Jahren einmal um die Erde.

Je nach Bezugspunkt gibt es mehrere Monatsbegriffe: Der synodische Monat von Neumond zu Neumond dauert im Mittel 29,53 d und beschreibt den Phasenwechsel. Der siderische Monat bis zur gleichen Stellung zu den Fixsternen dauert 27,32 d. Der drakonitische Monat bis zum gleichen Knoten dauert 27,21 d und ist für Finsternisse wichtig; der anomalistische Monat von Perigäum zu Perigäum 27,56 d.

Die Mondphasen entstehen dadurch, dass unterschiedlich große Teile der erdzugewandten Seite von der Sonne beleuchtet sind. Bei Neumond steht der Mond zwischen Sonne und Erde; beim Vollmond steht die Erde zwischen Sonne und Mond. Dazwischen folgen zunehmende und abnehmende Sichel sowie zunehmender und abnehmender Halbmond. Das Mondalter ist die Zeit seit dem Neumond; bei Vollmond beträgt es im Mittel etwa 14,8 d. Nicht direkt sonnenbeleuchtete Bereiche können durch von der Erde zurückgeworfenes Licht sichtbar sein; dies heißt Erdlicht, sein Widerschein auf dem Mond aschgraues Mondlicht.

Der Mond rotiert gebunden: Er dreht sich in 27,322 Tagen einmal um die eigene Achse und zeigt der Erde daher fast stets dieselbe Seite. Durch Libration, eine teils echte und teils scheinbare Pendelbewegung, sowie durch Parallaxe sind von der Erde aus insgesamt fast 59 % der Mondoberfläche sichtbar.

Finsternisse und langfristige Wechselwirkung

Bei einer Mondfinsternis steht die Erde bei Vollmond zwischen Sonne und Mond. Sie ist von der gesamten Nachtseite der Erde sichtbar und dauert höchstens 3 Stunden 40 Minuten. Bei einer totalen Mondfinsternis befindet sich der Mond ganz im Erdschatten; die Totalität kann maximal etwa 106 Minuten dauern. Er bleibt rotbraun sichtbar, weil die Erdatmosphäre blaues Licht stärker streut und rotes Licht in den Erdschatten lenkt. Bei einer partiellen Finsternis wird nur ein Teil des Mondes abgeschattet; bei einer Halbschattenfinsternis wird er nur unauffällig grauer.

Bei einer Sonnenfinsternis steht der Mond bei Neumond zwischen Sonne und Erde. Sichtbar ist sie nur in den schmalen Gebieten, die durch Kern- oder Halbschatten des Mondes laufen. Eine totale Sonnenfinsternis bedeckt die Sonne für einige Minuten vollständig. Eine partielle Sonnenfinsternis bedeckt sie nur teilweise. Bei einer ringförmigen Sonnenfinsternis ist der Mond zu weit entfernt und erscheint zu klein, um die Sonne ganz zu verdecken. Die ähnlichen scheinbaren Größen von Sonne und Mond ermöglichen totale Finsternisse: Die Sonne ist rund vierhundertmal größer, aber auch ungefähr vierhundertmal weiter entfernt.

Die Sarosperiode beträgt 18 Jahre und 11 Tage beziehungsweise 18 Jahre und 11,33 Tage. Nach 223 synodischen oder 242 drakonitischen Monaten stehen Sonne, Erde und Mond fast wieder gleich zueinander; deshalb wiederholen sich Finsternisse ähnlich. Ein Saroszyklus endet wegen kleiner Abweichungen nach etwa 1300 Jahren.

Durch Gezeitenreibung vergrößert sich der mittlere Erde-Mond-Abstand jährlich um etwa 3,8 cm. Drehimpuls wird hauptsächlich von der Erdrotation auf die Mondbahn übertragen. Zugleich verlängert sich die Tageslänge der Erde gegenwärtig um etwa 20 Mikrosekunden pro Jahr.

Aufbau, Oberfläche und Wasser

Der Mond besitzt keine dichte Atmosphäre, sondern nur eine äußerst dünne Exosphäre mit einem Druck von 3 · 10⁻¹⁰ Pa. Sie enthält vor allem Helium, Neon, Wasserstoff und Argon. Weil eine wirksame Gashülle fehlt und die Rotation langsam ist, sind die Temperaturen extrem: Bei Sonne im Zenit etwa 130 °C, nachts etwa −160 °C; die mittlere Oberflächentemperatur beträgt 218 K = −55 °C.

Die Kruste besteht auf der Vorderseite im Mittel bis etwa 60 km Tiefe aus Anorthosit, auf der Rückseite vermutlich bis 150 km. Darunter liegt ein fast vollständig fester Mantel. Als KREEP bezeichnet man Material mit hohen Anteilen an Kalium, Seltenen Erden und Phosphor; es enthält zudem viel Uran und Thorium und ist besonders in der Oceanus-Procellarum-Mare-Imbrium-Region angereichert. Der überwiegend eisenhaltige Kern hat nach einem Modell einen Radius von etwa 350 km, einen festen inneren und einen flüssigen äußeren Anteil; seine Temperatur wird auf etwa 1400 °C (± 400 °C) geschätzt. Der Mond besitzt heute kein globales Magnetfeld, aber lokale Magnetfeldanomalien, darunter helle Mondwirbel oder Magcons.

Die Oberfläche ist fast vollständig von Regolith bedeckt, einer durch Meteoriteneinschläge zertrümmerten Schicht aus Staub, Sand, Steinen und glasigen Einschlagsprodukten. Er kann mehrere Meter dick sein; seine scharfkantigen Körner verursachen starken Verschleiß. Der Regolith speichert zudem Teilchen des Sonnenwinds und Spuren kosmischer Strahlung. Mondbeben entstehen unter anderem durch wechselnde Gezeitenkräfte. Apollo-Seismographen registrierten bis 1977 etwa 12.000 Beben; die stärksten erreichten knapp Magnitude 5.

Die Oberfläche gliedert sich in helle Terrae, alte Hochländer, und dunkle Maria, große Becken mit erstarrter basaltischer Lava. Maria bedecken 16,9 % der gesamten Oberfläche, aber 31,2 % der Vorderseite und nur 2,6 % der Rückseite. Die Terrae sind stärker verkratert und bestehen überwiegend aus hellem, aluminiumreichem Anorthosit. Einschlagkrater prägen beide Landschaften. Das größte Becken, Südpol-Aitken, misst 2240 km im Durchmesser. Rillen können gerade sein oder als eingestürzte Lavaröhren mäandrieren; mögliche Öffnungen solcher Röhren werden Skylights genannt.

Der Mond gilt als extrem trocken, doch wurden Wasser und Hydroxyl nachgewiesen. Apollo-Proben enthielten nach Messungen bis zu 0,6 % Wasser. An dauerhaft beschatteten Polkratern und besonders am Nordpol gibt es Hinweise auf Wassereis; Chandrayaan-1 lieferte Hinweise auf mindestens 600 Millionen Tonnen. Im Jahr 2020 wurde auch Wasser auf einer sonnenbeschienenen Seite außerhalb des Südpols gemeldet.

Vorder- und Rückseite sowie Einflüsse auf die Erde

Die Mondrückseite ist nicht dauerhaft dunkel, sondern wird im Lauf der Mondrotation ebenso von der Sonne beleuchtet wie die Vorderseite. Sie war von der Erde aus unsichtbar und wurde 1959 durch Luna 3 erstmals fotografiert. Sie besitzt wesentlich mehr kraterreiche Hochländer, weniger Maria und eine etwa 150 km dicke Kruste gegenüber etwa 70 km auf der Vorderseite. Am 3. Januar 2019 landete Chang’e 4 erstmals auf der Rückseite.

Die Gravitation des Mondes erzeugt auf der Erde Gezeiten: nicht nur Ebbe und Flut in den Meeren, sondern auch Hebungen und Senkungen des Erdmantels. Seine Wirkung trägt außerdem zur Stabilisierung der Neigung der Erdachse bei. Die Erdachse präzediert, also bewegt sich kreiselartig; nach dem Artikel trägt die vom Mond bewirkte schnellere Präzession zu einem für Leben begünstigenden Klima bei.

Mondlicht kann bei wolkenfreiem Himmel, mindestens etwa zu drei Vierteln vollem Mond und einem Mondstand von etwa über 45° eine Landschaft ausreichend beleuchten, um Orientierung zu ermöglichen. Zugvögel und einige nachtaktive Insekten nutzen die tägliche Mondbewegung zur Navigation. Bei einigen Ringelwürmern, Krabben und Fischen ist die Fortpflanzung eng an die monatlichen Mondphasen gekoppelt. Dagegen ergaben ausgewertete wissenschaftliche Studien keine signifikante positive Korrelation von Mondphasen mit Schlafstörungen, Verkehrsunfällen, Operationskomplikationen, Suizidhandlungen oder Geburten.

Der Mond kann optisch größere Wirkungen zeigen: Ein Mondhof entsteht durch Beugung an Wassertröpfchen, ein Halo durch Eiskristalle. Ein Mondregenbogen entsteht durch Mondlicht und Regentropfen. Dass der Mond am Horizont größer wirkt als im Zenit, ist eine optische Täuschung und keine Folge der Luftbrechung.

Erforschung und Raumfahrt

Die wissenschaftliche Erforschung heißt Selenologie, die Kartierung der Oberfläche Selenographie und die Vermessung von Mond und Schwerefeld Selenodäsie. Fernrohrbeobachtungen machten Krater und Gebirge sichtbar; Apollo- und Luna-Proben, Seismographen, Orbiter und Fernerkundung lieferten später Daten zu Alter, Zusammensetzung, Topografie und innerem Aufbau.

Die sowjetischen Sonden Luna 1, Luna 2 und Luna 3 markierten frühe Schritte der Raumfahrt: Luna 1 kam dem Mond nahe, Luna 2 traf ihn, Luna 3 fotografierte die Rückseite. Apollo und Luna brachten zwischen 1969 und 1976 mit neun Missionen insgesamt 382 kg Mondgestein zur Erde. Der erste Mensch auf dem Mond war Neil Armstrong am 21. Juli 1969 UTC. Insgesamt betraten zwölf US-Astronauten bei sechs erfolgreichen Apollo-Missionen den Mond; Eugene Cernan verließ ihn am 14. Dezember 1972 als bisher letzter Mensch.

Seit den 1990er Jahren kartierten unter anderem Clementine, Lunar Prospector, Chandrayaan-1 und der Lunar Reconnaissance Orbiter den Mond und suchten nach Wassereis. China landete 2013 mit Chang’e 3 weich, 2019 mit Chang’e 4 auf der Rückseite und brachte mit Chang’e 5 im Dezember 2020 1731 g Bodenproben zur Erde zurück. Im August 2023 gelang Indien mit Chandrayaan-3 eine unbemannte Mondlandung; im Januar 2024 landete Japan mit SLIM, und am 22. Februar 2024 erreichte Odysseus als erster privat entwickelter und gebauter Lander erfolgreich den Mond.

Das Artemis-Programm der USA soll eine nachhaltige Rückkehr zum Mond beginnen und in der Südpolregion landen. China plant mit Chang’e 7 Ende 2026 und Chang’e 8 im Jahr 2028 weitere Missionen zur Vorbereitung einer Mondbasis.