Der Mond

Unser Mond
Astronomie-Vereinigung Rottweil Herbert Haupt
Zimmern o.R., 13.10.2012 AVR / IAS

Der Mond ...
... unbeliebt bei den Deepsky-Beobachtern
und -Fotografen!
Deshalb: Beobachten wir ihn selbst, ...
... wenn er sonst stört!

IAS Namibia G. Hoffarth

Vollmond
Sebastian Voltmer
IAS
Abstand: ~384.000 km
(356-408 Tkm)
Durchmesser: 3.476 km
Oberfläche: 1/13 OF erde
Masse: 1/81 M erde
OF-Beschleunigung:
b m = 1,65 m/s 2 = 1/6 b e
keine Atmosphäre:
T OF = +130/-170°C
gebundene Rotation

Inhalt
1. Historische Anmerkungen
2. Theorien zur Entstehung des Mondes
3. Oberflächenstrukturen des Mondes
4. Sonne - Erde - Mond: Bahnen und Stellungen
- Phasen
- Libration
- Höhe über dem Horizont
- Finsternisse
5. Mond-Vorder- und -Rückseite
6. Innerer Aufbau; Vulkanismus?
7. Zusammenfassung

Die Himmelsscheibe von Nebra
Der Mond hatte von Alters
her Bedeutung in der
Mythologie und für den
Kalender
Nebra: Eine der ältesten
Mond-Darstellungen
vor ~ 3.600 Jahren
Noch früher:
vor 5.000 Jahren im irischen
Megalith-Grab Knowth
Ab 1600: erste Mond-
Zeichnungen und Karten ,
und für Navigation zur See

Andrees 1881

Juni 1178: Einschlag auf dem Mond?
Beobachteten Mönche um Gervase
vom Kloster Canterbury einen
Asteroiden-Einschlag im Norden??
Mondsonde LCROSS:
junger Krater Giordano Bruno mit
22 km Ø knapp hinter dem Horizont
als Folge?

Theorien zur Entstehung des Mondes
1. Schwesterplanetentheorie
2. Abspaltungstheorie
3. Einfangstheorie
4. Kollisionstheorie

Mondentstehung: Schwestertheorie
Gleichzeitige Entstehung von Erde und
Mond als Doppelplanet aus Materiering um
die Urerde an derselben Stelle des Urnebels:
● Sauerstoff-Isotope gleich
● Keine Erklärung, warum der Mond
einen verhältnismäßig kleinen Kern hat
● Unklar, wie es geschehen kann, dass die chemische
Zusammensetzung von zwei unter gleichen Bedingungen
gebildeten Körpern so unterschiedlich sein kann,
v. a. warum der Mond im Gegensatz zur Erde an Fe verarmt ist
● Rotationsachsen stark gegeneinander geneigt

Mondentstehung: Abspaltungstheorie
Abspaltung des Mondes aus der noch flüssigen,
schnell rotierenden Erde:
● Sauerstoff-Isotope im gleichen Verhältnis
● Mond entfernt sich von der Erde
● Dichte des Mondes
● Rotationsperiode von 2,5 h nötig,
nach Berechnungen aber Periode von > 4,5 h
● Mond sollte die gleichen Gesteine haben
wie die Erde (beide aufgeschmolzen), trifft
aber nicht zu:
- weniger flüchtige, mehr refraktäre Elemente
- keine wasserhaltigen Minerale
- hat zu viel Eisen, nach der Theorie nur ‰ erwartet
● Umlaufbahn des Mondes gegenüber der Äquatorebene stark geneigt

Mondentstehung: Einfangtheorie
Entstehung des Mondes in einer fernen
Gegend des werdenden Sonnensystems
und späterer Einfang durch die Erde:
● Erklärung für die unterschiedliche
chemische Zusammensetzung
● Sauerstoff-Isotope abweichend
● Einfang eher unwahrscheinlich:
bei Begegnung entweder Kollision oder Ablenkung der Bahn
● Keine Erklärung für Magma-Ozeane:
beim Einfang findet kein Aufschmelzen des Mondgesteins statt
● Mond besteht nicht aus primitiver Materie solarer
Zusammensetzung sondern aus schon fraktioniertem Material
● Verarmung an siderophilen („eisenliebenden“) Elementen

Mondentstehung: Einschlagtheorie (1)
Kurz nach Entstehung der Protoerde vor 4,5 Mrd. Jahren
schlägt ein Mars-großer Planet „Theia“ mit 4 km/sec
streifend ein; Theia war ein Trojaner im Erdorbit
Krustenmaterial und kleine
Teile der Metallkerne fliegen
davon; ein Großteil sammelt
sich in 100-10.000 Jahren in
der Erdumlaufbahn zum Mond.
Abstand zunächst ~ 35.000 km
Zurück bleibt die glutflüssige
„heutige“ Erde

Mondentstehung: Einschlagtheorie (2)
Erklärt die Beobachtungen am besten;
● Verhältnis der Sauerstoff-Isotope gleich
● Erklärung der Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung
- Mond enthält so wenig Eisen, weil im Einschlagskörper das Eisen
bereits zum Kern abgesunken war, der bei der Kollision fast
unbeschädigt blieb
- chemische Zusammensetzung unterschiedlich, weil der Mond
teilweise aus dem Material des Einschlagkörpers gebildet wurde
- Verarmung an flüchtigen Elementen wegen hohen Temperaturen
nach Zusammenstoß
● Keine neuen, ausgefallenen Theorien mit vielen Annahmen nötig;
Zusammenstöße häufig im frühen Sonnensystem
● Oder doch nicht?? Neu 2012: das Isotopenverhältnis 50 Ti/ 47 Ti
stimmt auf 0,0004 % überein!?! statt auf eher ~ 0,05 %
mehr vermischtes Material hochgeschleudert, oder ...?

Mondkrater Walter Albert AV Rottweil

Oberflächen-Strukturen auf dem Mond
1. Maria: erstarrte Lavafelder (Basalte) nach großen Einschlägen;
3,8 – 3,1 Mrd. Jahre alt; enthalten kaum noch Krater;
bedecken 31% der Vorderseite, aber nur 2,6% der Rückseite;
sonst Hochländer
2. Gebirge, Berge (häufig Reste von Kraterwänden)
3. Krater: Einschlagkrater (bis 300 km Ø / 10 km) und Sekundärkrater,
auch Kraterketten (Catena), z.T. mit Strahlen von Auswurfmaterial
4. Täler: breit
5. Rillen (Rimae): gerade, gebogen (Spannungsrisse?),
mäanderförmig: eingestürzte Lavakanäle?
Furchen (Rupes): bis 400 km lange, tiefe Rillen / Risse durch
Spannungskräfte in der Mondkruste
6. Dorsum / Dorsa: Höhenrücken in den Maria (< 100 m)
7. Dome: Reste flacher Schildvulkane aus Frühphase (> 4 Mrd. Jahre)
Ganze Oberfläche mit 2-8 m Regolithstaub infolge Einschlägen bedeckt

Halbmond
G. Neininger AV Rottweil
mit kontrastreichen Kratern
am Terminator und
Farbnuancen der Gesteine,
speziell in den Maren

Mond-Mosaik
Gerhard Neininger AVR
Die großen Maria
und Impaktkrater
mit Auswurfstrahlen

Die Strahlen des Tycho Gerhard Neininger AVR

Krater Tycho: Zentralberg NASA LRO 2011
Der Zentralberg entstand wenige 10 Sekunden nach dem Einschlag
durch Rückfedern des Mondbodens; Alter: nur ~110 Mio Jahre?
Krater: Ø = 87 km, Wall 4700 m Berg: Breite 15 km, Höhe 2000 m

Tycho: 120 m-Brocken auf dem Zentralberg

Mare Imbrium Nordteil Günter Hoffarth IAS
mit Montes Teneriffe, Wall-Krater Plato, Alpen /Alpental mit Rille
Dorsa: Höhenzüge in den Lavameeren Cassini

G. Hoffarth IAS Aristillus Kaukasus
Archimedes mit Montes A. Autolycus Apenninen

Mons Hadley (4600 m) und Hadley-Rille
Landeplatz von Apollo 15
im nördlichsten Teil
der Montes Apennines

Mare Crisium
mit Gebirgen
am Mondrand
P. Knappert AVR

Terminator am Mare Nectaris Peter Wölfle AVR

Günter Hoffarth IAS

Davi Catena Davi
Alpetragius
Rupes Recta
Alphonsus
Müller
Ptolemaeus (158 km)
Arzachel (97 km) mit Rima
Günter Hoffarth IAS
Albategnius
( = pyroklastische Ablagerungen)

Dom Rupes Recta Arzachel
Rima Birt
Birt Thebit (57 km)
Hell Deslandres
Purbach (121 km)
Günter Hoffarth IAS

G. Hoffarth IAS
Krater Manilius
(41 km)
Mare Vaporum
Vulkankrater
( kein Wall!)
Hyginus (9 km),
mit Rima (220 km,
Einbrüche ehemal.
Lavaröhren)
Krater Triesnecker
mit Rimae
Sinus Medii

Krater Clavius Johannes Schedler IAS
S
N
Ø ≈ 225 km
Alter ~ 3,8 Mrd. Jahre

Mond-Nordpol US-Sonde Clementine 1994
Rückseite
Vorderseite
Krater um den Pol:
- Peary, Nansen, Bird
und Hermite
- Rozhdestvensky auf der
Rückseite
dazwischen:
- die Leibniz-Berge: mit
11.400 m höchste Berge
auf dem Mond

Sonnenaufgang am Schröter-Tal H. Heimel
Herodot Aristarch
170 km lang,
bis 10 km breit,
bis 1 km tief,
~3,5 Mio Jahre alt
Ursprung:
kleiner Krater
„Kobrakopf“
eingebrochene,
ehemalige
unterirdische
Lavarinne

Mond: Dome
Flache (erloschene) Schildvulkane
- Durchmesser: einige km
- Höhe: einige 100 m
- kleiner Krater in der Mitte
Dome nördlich von Hortensius
(westlich Copernicus)
Dom Kies Pi westlich des
Kraters Kies im Mare Nubium
(11 km Ø, 150 m hoch, 1,3 km
Gipfelkrater)

Copernicus bei Vollmond: helle = junge Krater
Peter Knappert AVR

Mondgestein - Schnitt durch Regolith-Korn
Die Bildung der großen Mare und Mondkrater bis zum Ende des großen
Bombardements vor 3,7 Mrd. Jahren wurde von Asteroiden verursacht!!
Das belegen Körner
von Fe-reichen
Silikat-Gesteinen
mit extremem Mg-
Gehalt
(Schliffgröße 9 mm)
weiß: Al
blau: Si
grün: Mg
rot: Fe
rosa: Ti
zyan: Ka
Kath. Joy USRA

Mond
farbgesättigt
Sebastian Voltmer 2003
IAS Namibia C14/Video

Überhöhte Farben
des Mondes
Johannes Schedler IAS
Farbunterschiede wegen
verschiedener Material-
Zusammensetzung
Maria
blau: Ti/Fe-reich
braun: wenig Ti/Fe
Hochländer
• hell: junge Strukturen
• dunkler: älter, durch
Beschuss von Sonnen-
wind nachgedunkelt

Sonne - Erde - Mond
Bahnen und Stellungen

Die Phasen des Mondes

Die Phasen von Mond und Erde
Außen: Mondphasen am Erdhimmel - Erdphasen am Mondhimmel
Vollerde Neuerde

Erdachse und Mondbahn:
Neigungen gegen die Ekliptik
Erdachse: 23,5° Mondbahn: 5,15°
Erdachse
Umlaufszeiten: siderisch 27,32 Tage, synodisch: 29,53 Tage

Mond: siderischer und synodischer Monat
siderischer Monat:
der Mond steht wieder vor demselben Sternhintergrund
synodischer Monat:
der Mond hat wieder dieselbe Stellung gegenüber der Sonne
Siderischer Monat = 1 Rotation
= 27,322 Tage
1 Jahr = 13,368 Rotationen
Synodischer Monat:
12,368 „Rotationen“ /Jahr
29,532 Tage
(von Vollmond zu Vollmond)

8-Tage-Mond
Peter Knappert AVR
Blick „von unten“

9-Tage-Mond
Peter Knappert AVR
Blick „von oben“

Mond im Apogäum und im Perigäum
Thomas Hebbeker
21.09.2010 19.03.2011
Entfernung: 406.000 km 357.000 km
scheinbare Größe: 29,9 arcmin 33,9 arcmin

Libration des Mondes beim Umlauf
Animation siehe: de.wikipedia.org/wiki/Libration
um die Erde
Ursachen:
Der Mond dreht sich mit
konstanter Geschwindigkeit
um seine Achse;
aber beim Umlauf um die
Erde auf der exzentrischen
Bahn ist er in Erdferne
langsamer als in Erdnähe
(e = 0,055 407/356Tkm)
außerdem ist die Mondbahn
gegen die Ekliptik geneigt
(um 5,15°) und die Mondachse
gegen seine Bahn
um 6,7°

Lage des Mondes über dem Horizont
Änderung der Höhe wegen der Neigung der Erdachse (± 23,5°)
und der Mondbahn (± 5,1°) gegen die Ekliptik
VS (48° Nord): max. Mondhöhe 13,4 ... 70,6°

„Liegende“ Mondsichel Peter Knappert AVR

Sonnen- und Mond-Finsternisse
Aufhellung des Mondes im Kernschatten durch Lichtbeugung des
Sonnenlichtes in der Erdatmosphäre

Wann sind Finsternisse möglich?

Totale Sonnenfinsternis 29. März 2006 S. Voltmer IAS
Sonnenkorona und Sonnenwind

Totale Mondfinsternis
am 4. März 2007
P. Knappert AV Rottweil
Asymmetrisch:
Mond ging nicht durch das
Kernschattenzentrum
Resthelligkeit und Farbe
durch in der Erdatmosphäre
gebeugtes Sonnenlicht

Photometrie der Mondfinsternis am 15.06.2011
Elmar Schmidt, SRH Hochschule Heidelberg Lunar Picture of the Day 17. Juni 2011

1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Mondhelligkeit im Monatsverlauf
Günter Lambek AVR
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Relative Helligkeit (gemessen)
Helligkeit für isotropen Reflektor
Neu- Halb- Voll- Halb- Neu-Mond
Tag ab Neumond

Mondhelligkeit im Monatsverlauf
1. Theoretische Kurve für einen glatten, isotropen Reflektor:
Die Gesamthelligkeit wäre proportional zu der von uns aus
sichtbaren beleuchteten Fläche
2. Gemessene Helligkeit (G. Lambek):
Sie liegt weit darunter, vor allem wegen des Schattenwurfs
der rauen Gesteinsbrocken und der Staubkörner!!
Der Halbmond hat nur etwa ein Sechstel (statt der Hälfte)
der Vollmondhelligkeit
Bei maximaler Lage des Vollmondes über/unter der Ekliptik
(± 5,1°) ist seine Helligkeit fast 20% geringer als nahe den
Knotenlinien

Präzession der Erdachse
Die rotierende Erde ist ein
Kreisel
Äquatorwulst (21 km),
nicht ganz kugelförmig
Anziehung auf den Wulst
durch Mond (und Sonne)
größer auf zugewandter Seite
die Kraft versucht die Achse
aufzurichten
der Kreisel weicht senkrecht
dazu aus: er präzediert!! bei
gleicher Neigung gegen die
Ekliptik (23,5°)
Sonst würde die Erdachse taumeln und wir
hätten extreme Klimaänderungen

Präzession
der Erdachse
Wanderung des Nordpols durch die
Sternbilder in 25.800 Jahren!
Lage des Pols:
- heute: nahe Polaris
- vor 5.000 Jahren: nahe Thuban
- in 11.000 Jahren: nahe Wega
Überlagerte Nutation vor Allem
durch sich ändernde Drehmomente
entsprechend den Bahnbewegungen
von Mond und Sonne (± 9,2´´)
Schnittlinie Mondbahn/Ekliptik
dreht sich in 18,6 Jahren um 360°

Bremsung der Erdrotation durch den Mond
Der Mond zieht an dem unter ihm weglaufenden, trägen Gezeitenwulst
und wird beschleunigt
das hebt ihn auf höhere Bahn und bremst die Erde ab (~ 20 μs/Jahr)
Entsprechend wurde der Mond in der Frühphase – als er noch plastisch
war – bis zur gebundenen Rotation abgebremst

Mond: Lebenszyklus (Bahnentwicklung)
1. Nach Geburt infolge Theia-Kollision mit der Urerde:
Abstand D ≈ 35.000 km, Umlaufperiode P m ≈ 18 h = 0,75 d
Enorme Gezeitenkräfte Lava-Flutberge >1000x höher!
2. Nur 200 Mio Jahre später: D ≈ 162.000 km
infolge Rückkopplung der Flutberge auf Mondbahn-Drehimpuls
3. Heute: D ≈ 384.000 km, P = 27,5 d, ∆D = +3,8 cm/Jahr
4. In 3 Mrd Jahren: max. Abstand mit ~ 500.000 km erreicht
(Systemenergie reicht nicht für völlige Loslösung des Mondes!)
Wegen dann doppelt-gebundener Rotation keine Drehimpuls-
Übertragung auf Mondbahn mehr; Sonnentag ≈ 45 heutige Tage
5. Danach: Gezeitenkräfte der Sonne verringern Mondbahn-Drehimpuls
Mond spiralt langsam auf die Erde zu
Bei 18.000 km (Roche-Grenze) zertrümmern ihn die Gezeiten-
Kräfte der Erde Trümmerring um „Saturn“-Erde
Aber das kann kein Lebewesen auf der Erde mehr sehen!!
s. HU Keller: Kosmos Himmelsjahr 2013

Mond-Vorderseite und -Rückseite

Frigoris
Maria Krater
Grimaldi
Gassendi
Byrgius
Sinus Roris
Aristarch Imbrium
Kepler
Oceanus
Procellarum
Copernicus
Cognitum
Humorum Nubium
Schiller
Tycho
Clavius
Plato
Ptolemaeus
Serenitatis
Vaporum
Tranquillitatis Crisium
Nectaris
Jansen
Fecunditatis
Langrenus

Mare Moscovience
Krater Zilkowski
Aitken-Becken: ~ 2500 km Ø
Mondrückseite
NASA LRO 2009/11
Kaum Lavamare,
da Kruste viel dicker
Krater im Mare Mosc.

Spekulative 2-Monde-Theorie
Martin Jutzi / Erik Asphaug Uni Californien 2011
Vermutung: nach dem Einschlag von Theia in die Protoerde
bildete das hochgeschleuderte Material zunächst zwei Monde
in der Erdumlaufbahn. Der kleinere hatte ~ 4% der Masse des
größeren und ~ 1.300 km Ø.
Nach ~ 70 Mio Jahren krachte er mit
nur 1-2 km/s in die „Rückseite“ des
größeren und lagerte sich dort an.
Das ergab hier die dicke Kruste,
während der Magmaozean zur jetzt
uns zugewandten Seite hinüberschwappte
könnte die großen Unterschiede
von Vorder- und Rückseite erklären!

Der Mond: im Innern kalt?
Neuere seismische Beobachtungen (Apollo):
• er ist ab 1100 km Tiefe noch glutflüssig, wohl wegen restlicher
Radioaktivität (Asthenosphäre)
• aber seit Mrd. von Jahren kein Vulkanismus an der Oberfläche
Grund: Lava-Hochdruckformen haben kein geringeres
spezifisches Gewicht als Gesteine des Mondmantels
sie können daher nicht zur OF aufsteigen! (M. van Kan Parker)
Aufbau:
• Kruste, auf Erdseite dünner
gebundene Rotation
• feste Lithosphäre
• plastische Asthenosphäre
• Eisen-Schwefelkern:
- R < 350 km,
- T K ~ 1000-1600°C
• - innen fest bis 220 km

Gasausbrüche auf dem Mond?
P. Schultz et al., Brown University
Ina-Struktur nördlich Mare Vaporum:
erst 1-2 Mio Jahre alt
Immer wieder Ausbruchsfahnen
beobachtet!
Deutung:
der Mond wird durch
Gezeitenkräfte der Erde und
wegen Schrumpfung infolge
Abkühlung (bisher ~ 100 m)
durchgewalkt
Rissbildung bis tief ins Innere
mit explosionsartiger
Freisetzung von Gasen
diese blasen beim Austritt die
Regolith-Staubschicht weg
„junge“ Materialien sichtbar

GRAIL-Sonden im Formationsflug um den
Mond
Präzisionsvermesung des Schwerefeldes des Mondes
1. Phase: 08.03.- 29.05.2012
Flughöhe 55 km
Gebirge haben nicht immer
größere Anziehungskraft, da
Gestein darunter oft leichter
(hydrostatischer Ausgleich);
Lavaseen schwerer
2. Phase: 30.08.- 03.12.2012
Flughöhe nur 23 km

Wassereis im Shackleton-Krater nahe Südpol?
Ø = 20 km, Tiefe bis 4100 m, Rand immer hell, Boden immer dunkel
Entgegen der Theorie zeigen IR-Laser-Aufnahmen nur Spuren von Eis?!
Shackleton ist also leider kein idealer Ort für Mondstation

Apollo 8 (1968): Erdaufgang über dem Mond
Der Mond: der einzige Himmelskörper außer der Erde,
den Menschen betreten haben!

Apollo 17: Erdsichel über dem Mond

So herum ist er doch schöner!

Mondsichel über den Hakosbergen H.v.Eiff IAS

Zusammenfassung
• Der Mond ist der nächste natürliche Himmelskörper;
er zeigt bei Weitem die meisten Strukturdetails
• Er beeinflusst nicht nur unser „Nachtleben“, sondern ist
für höheres Leben auf der Erde unabdingbar
• Seine Oberflächenstrukturen sind das Ergebnis der Einschläge
von Asteroiden und Kometen, vor Allem in der Frühphase des
Sonnensystems während der Erkaltung seiner Oberfläche
• Vulkanismus gibt es heute nicht mehr: der Mond ist bis in große
Tiefen ausgekühlt und verfestigt
• Wegen der fehlenden Atmosphäre findet auch kaum
Oberflächenerosion statt.
• Er entfernt sich infolge von Ebbe und Flut auf der Erde jährlich
um 4 cm von uns
kein Grund, bald ein größeres Teleskop zu kaufen!

Literatur / Links
• www.astronomie-rw.de
Peter Knappert, Gerhard Neininger, Walter Albert, Peter Wölfle
• www.ias-observatory.org
Günter Hoffarth, Sebastian Voltmer, Johannes Schedler, H. v. Eiff
• www.sterne-und-weltraum.de/alias/dachzeile/dome-auf-demmond/836246
• www.br-online.de/wissen-bildung/spacenight/sterngucker.html
• www.wissenschaft-online.de/artikel1146877
SuW ASTROnews 27.03.2012: B. Knispel
• www.astrokramkiste.de/mondoberfläche
• H.-U. Keller: „Verliert die Erde unseren Mond?“
Kosmos Himmelsjahr 2013, S.46-50
• Wikipedia: Mond, Mondbahn, Oberflächenstrukturen
• L. Spix, F. Gasparini: Der Moonhopper, Occulum-Verlag 2011
• Virtual Moon Atlas (Freeware)
• NASA- und ESO-Veröffentlichungen