Die Erde und ihr Mond

Die Erde umrundet die Sonne innerhalb von 365.256 Tagen (siderisches Jahr) auf einer leicht elliptischen Bahn zwischen 147.1 und 152.1 Millionen km (0.98 bis 1.02 AE) Entfernung. Dabei wird sie von einem vergleichsweise großen Mond begleitet, der für einen Umlauf um die Erde im Mittel 27.32166 Tage benötigt.

Die Erde dreht sich – relativ zu den Sternen – alle 23 Stunden 56 Minuten und 4.09 Sekunden einmal um ihre Achse (Sterntag); nach jeweils dieser Zeit überschreiten alle Sterne den Meridian eines Beobachters. Da sich die Erde während eines Sternentages im Mittel um knapp 1° auf ihrer Bahn um die Sonne weiterbewegt, dauert die Zeit zwischen zwei Meridiandurchgängen der Sonne fast 4 Minuten länger: Die Dauer dieses „mittleren“ Sonnentages ist auf 24 Stunden festgelegt.

Dabei steht die Rotationsachse der Erde nicht senkrecht auf der Erdbahnebene, sondern ist um rund 23.45° aus der Senkrechten gekippt. Wie alle rotierenden Körper zeigt auch die Erde hinsichtlich der Ausrichtung ihrer Drehachse ein großes Beharrungsvermögen. Daher kann man die Lage der Achse im Raum – zumindest über die Dauer eines Umlaufs – in erster Näherung als unverändert ansehen; über längere Zeiträume macht sich dagegen eine kreiseltypische Präzessionsbewegung bemerkbar, die eine allmähliche Verschiebung der Polrichtung bewirkt.

Durch die – räumlich nahezu konstante – Schiefstellung der Erdachse verändert sich im Laufe eines Jahres die Ausrichtung der Erde relativ zur Sonne: So ist erst die Nordhalbkugel der Erde um rund 23.5° in Richtung zur Sonne „gekippt“, ein halbes Jahr später dagegen die Südhalbkugel. Im einen Fall erreicht die Sonne bei uns die größte Mittagshöhe, im anderen Fall entsprechend die geringste.

Beide Bewegungen der Erde bestimmen in ihrer Kombination den im Rhythmus der Jahreszeiten variierenden Wechsel von Tag und Nacht und damit die astronomischen Beobachtungsmöglichkeiten. So bringt der Sommersonnenwendtag den längsten Tag des Jahres, der Wintersonnenwendtag entsprechend die längste Nacht. Dazwischen liegen zwei Termine, an denen die Länge des lichten Tages gerade die 12-Stunden-Marke unter- oder überschreitet die Tagundnachtgleichen, an denen der Herbst beziehungsweise das Frühjahr beginnen.

Der Mond ist unser Nachbar im Weltall. Er steht uns so nahe, daß er sich als einziges Gestirn wirklich um die Erde dreht, wie es die Menschen früher von allen Gestirnen angenommen hatten. Das Licht ist vom Mond zu uns nur etwas mehr als eine Sekunde unterwegs. Aber das Mondlicht, das unsere Nächte erhellt, stammt gar nicht vom Mond – es ist vielmehr Sonnenlicht, das vom Mond nur zurückgeworfen wird. Das ist auch der Grund dafür, daß sich der Anblick des Mondes so deutlich und rasch verändet, dabei aber immer wieder den gleichen Zyklus durchläuft. Dieser Zyklus, der etwas mehr als vier Wochen dauert, wurde in früheren Zeiten zur Unterteilung des Jahres benutzt; unser Monat leitet sich in Wort und Länge von ihm ab.

Fast jeder, der sich für Astronomie zu interessieren beginnt, fängt mit dem Mond als Beobachtungsobjekt an: schließlich hat er einen großen scheinbaren Durchmesser (rund 30´), ist hell und kann daher leicht gefunden werden. Aufgrund seiner Helligkeit kann man den Mond sogar am Taghimmel beobachten, dann wird man weniger stark geblendet und kann, gute Seeing-Bedingungen vorausgesetzt, viele Einzelheiten erkennen; bei Nachtbeobachtungen des Mondes empfiehlt sich entsprechend der Einsatz eines Graufilters.

Unser Mond ist der einzige Himmelskörper, auf dem man bereits mit bloßem Auge Oberflächengebilde wahrnehmen kann. Der Durchmesser beträgt 3476 km. Die mittlere Entfernung beträgt 384 400 km.

Der Mond besitzt keine Atmosphäre und daher auch keine Wolken. So treten für uns die Mondlandschaften – vorausgesetzt, unser irdischer Himmel ist wolkenfrei – völlig klar zutage. Die Temperaturen klettern auf der sonnenbeschienenen Seite des Mondes auf +118°C und sinken auf der Nachtseite auf -153°C ab. Das sind natürlich keine „Lufttemperaturen“, wie wir sie auf der Erde anzugeben pflegen, sondern die Temperaturen der Gesteine am Boden.

Die Bewegung des Mondes unterliegt vielfältigen Einflüssen, und so ist die Berechnung genauer Auf- und Untergangszeiten ziemlich kompliziert. Man muß schon auf ein astronomisches Jahrbuch zurückgreifen, wenn man exakte Zeiten wünscht. Im Schnitt verspäten sich Auf- und Untergang pro Tag um 50 Minuten, doch kann der Wert zwischen 10 und 90 Minuten schwanken. Aufgrund seiner Bewegung um die Erde zeigt der Mond rasch wechselnde Lichtgestalten, die sogenannten Mondphasen.

Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Neumondstellungen (eine Lunation) dauert rund 29,5 Tage. Das Mondalter wird jeweils vom Zeitpunkt des letzten Neumondes aus gerechnet, wenn der Mond mit der Sonne am Taghimmel steht und möglicherweise sogar vor ihr herzieht.

Da sich der Mond im wesentlichen entlang der Ekliptik bewegt, wechselt seine Höhe über dem Horizont zu den einzelnen Mondphasen abhängig von der Jahreszeit: im Winter steigt der Vollmond hoch hinauf (er steht ja der Sonne am Himmel gegenüber und zieht dann durch die nördlichsten Bereiche der Ekliptik); im Sommer dagegen sind die schmalen Mondsicheln vor und nach Neumond neben der Sonne hoch am Himmel zu finden.

Beste Beobachtungszeit für die Tage um das Erste Viertel bietet der abendliche Frühlingshimmel, während das Letzte Viertel am morgendlichen Herbsthimmel am günstigsten zu sehen ist. Die Neigung der Mondbahn um 5 Grad gegen die Ekliptik kann diese optimalen Sichtbarkeitsbedingungen noch etwas beeinflussen.

Mondformationen

Einige Oberflächenformationen des Mondes kann man bereits mit bloßem Auge erkennen.

Mit dem Fernglas wird man feststellen, daß helle und dunkle Gebiete sich sehr voneinander unterscheiden. Die hellen Gegenden erweisen sich als zerklüftete, von Kratern übersäte Hochländer (terrae), während die dunklen Gebiete flache, zumeist glatte Zonen sind, die ursprünglich für Meeresflächen (mare, Mz. maria) gehalten wurden. Zumindest die größeren Krater sind zwar mit einem Fernglas schon zu identifizieren, doch zeigt ein Teleskop weit mehr Einzelheiten. Man sieht neben Kratern jeder Größe und Gestalt auch andere Formationen, etwa talähnliche Rillen, Mondrücken, freistehende Berge und ausgedehnte Gebirgsketten. Sie tragen offizielle, international einheitliche lateinische Namen.

Die verschiedenen Formationstypen werden aufgelistet.

Aufgrund der stetigen Bewegung des Mondes um die Erde verändert sich die Sonnenhöhe auf dem Mond beständig und mit ihr die Beleuchtungsverhältnisse. Die meisten Formationen lassen sich am besten erkennen, wenn sie nahe dem Terminator stehen, der Grenze zwischen Tag- und Nachseite des Mondes. In dieser Gegend geht die Sonne gerade auf oder unter, so daß lange Schatten die Reliefstruktur der Mondoberfläche verstärken. Dabei ist das eckige Aussehen lediglich eine Folge des verstärkten Kontrastes zwischen sonnenbeschienener und dunkler Mondoberfläche; in Wirklichkeit sind die Abhänge weit weniger steil als auf der Erde.

Die Erde mit ihren ausgedehnten Wolken- und Ozeanflächen wirft einen beträchtlichen Teil des auftreffenden Sonnenlichtes in den Weltraum zurück; man sagt, sie hat eine hohe Albedo. Ein paar Tage vor oder nach Neumond, wenn der Erdtrabant als schmale Sichel erscheint, taucht dieses „Erdlicht“ den ansonst unbeleuchteten Teil (die Nachtseite) in ein fahles „aschgraues“ Licht, so daß man zumindest einige Formationen mit hoher Albedo unschwer erkennen kann.

Libration

Der Mond wendet der Erde zwar stets die gleiche Seite zu, doch zeigt eine genauere Beobachtung über mehrere Lunationen hinweg, daß der Blickwinkel dabei nicht konstant bleibt; vielmehr scheint der Mond sich geringfügig hin und herzudrehen, ein Effekt, der als Libration bezeichnet wird. Aufgrund seiner elliptischen Bahn bewegt sich der Mond zwar mit wechselnder Geschwindigkeit um die Erde, dreht sich aber völlig gleichmäßig um seine Achse, so daß seine Rotation mal der Bahnbewegung „voraus“ ist, dann wieder hinter ihr „zurückbleibt“ (Libration in Länge). Da außerdem die Rotationsachse um rund 6 ¾ Grad gegen die Senkrechte zur Mondbahn geneigt ist, können wir zeitweise seine Südhälfte besser sehen, dann wieder seine Nordhälfte (Libration in Breite). Daneben gibt es noch weitere Librationsarten, die uns über einen sehr langen Zeitraum (rund 30 Jahre) insgesamt 59 Prozent der Mondoberfläche ins Blickfeld rücken, einige schmale Streifen allerdings nur äußerst selten. Aufgrund der Libration wandert der Terminator auch nicht völlig gleichmäßig über die Mondoberfläche, so daß er eine bestimmte Formation nicht immer bei exakt dem gleichen Mondalter erreicht; die Abweichung kann bis zu einem halben Tag betragen.

Die Mondoberfläche

Am besten lernt man die Mondoberfläche kennen, wenn man die Wanderung des Terminators verfolgt und beobachtet, wie die Einzelheiten aus der Dunkelheit auftauchen und wieder verschwinden.

Randnahe Formationen sind nur um den Vollmondzeitpunkt herum zu beobachten, wenn die Sonne am linken Mondrand aufgeht und am rechten untergeht – die zweite Periode fällt in die Zeit um die Neumondstellung. Hier macht sich die Libration am stärksten bemerkbar, und so kann es vorkommen, daß man randnahe Gebiete überhaupt nicht findet. Ihre Identifizierung ist aufgrund der perspektivischen Verzerrung sehr schwierig und manchmal erst nach mehrfacher Beobachtung möglich.

Maria

Die beschriebenen Dunkelgebiete entpuppen sich übrigens als riesige dunkle Ebenen, von den Astronomen früher als „Maria“ (lat. Meere) bezeichnet, obwohl längst klar geworden ist, daß es auf dem Mond kein Wasser gibt. Die Maria wurden mit Phantasiebezeichnungen geschmückt.

Wir wissen heute, daß es sich bei den Maria der Mondoberfläche um lavabedeckte Gebiete handelt. In vielen Fällen füllen die Lavamassen große Krater, die von Einschlägen gewaltiger Brocken stammen. Manche Maria zeigen eine kreisförmige Struktur und sind bis über 2 Millionen Quadratkilometer groß. In manchen Maria ist die Oberfläche von Falten durchzogen.

Montes (Bergketten)

Zahlreiche Kettengebirge zeigen sich vor allem um ausgedehnte Maria herum. Im Grunde sind die Maria genau wie die Krater und Ringgebirge auf den Absturz von Kleinkörpern zurückzuführen. Hier quoll aber nachträglich Magma an die Oberfläche und „überschwemmte“ das Innere der Riesenkrater. Tatsächlich beobachtet man im Innern der Maria gar nicht selten teilweise „ertrunkene“ ältere Krater.

Die höchsten Gipfel der Gebirgsketten ragen bis zu einigen tausend Metern über die Umgebung. Die Gebirge erhielten meist Namen irdischer Gebirge.

An den Rädern einiger Maria erheben sich manche der auffälligsten Gebirgsketten des Mondes. Demgegenüber gibt es ältere Strukturen, die bereits teilweise zerstört beziehungsweise von jüngeren Strukturen überdeckt worden sind. Darüber trifft man auch auf einzelne Berge. An erloschene Mondvulkane erinnern die flachen Dome.

Krater und Ringebirge

Die auffälligsten Oberflächengebilde auf dem Mond sind die Krater. Die größeren nennt man oft Ringebirge oder auch Wallebenen. Sie sind die Folge eines gewaltigen Bombardements, dem die Mondoberfläche besonders vor etwa 3 bis 4 Milliarden Jahren ausgesetzt war, als es noch viele Kleinkörper in unserem Sonnensystem gab. Die Zahl der Kollisionen nahm dann aber immer mehr ab. Trotzdem gibt es auch Krater, die erst vor einigen hundert Millionen Jahren entstanden sind. Es sind die sehr hellen Krater, die auch über auffällige helle Strahlen verfügen, die radial vom Krater weg nach außen verlaufen.

Die größten Krater haben Durchmesser bis zu 200 oder 300 km. Nach unten gibt es kaum eine Grenze. Wenn auch wegen des schweren Schattenwurfs die Krater oft wie tiefe Löcher erscheinen, sie ähneln eher flachen Tellern. Das Verhältnis Wallhöhe zu Durchmesser beträgt bei mittelgroßen Kratern typischerweise 1:15 bis 1:30. Der Durchmesser ist also 15- bis 30mal größer als die Wallhöhe. Große Wallebenen sind oft noch viel flacher, kleine Krater dagegen tiefer. Die große Spannweite reicht von 1:5 bis über 1:100. Die Krater erhielten Namen bekannter Astronomen, Mathematiker und Philosophen, auf der Mondrückseite auch von Physikern und Männern aus der Raumfahrt. Die Krater auf dem Mond sind durch den Einschlag mehr oder minder großer Brocken entstanden; es gibt sie in den unterschiedlichsten Größen. Einige Riesenkrater mit Durchmessern von 300 Kilometern treten deutlich hervor, andere sind kaum noch zu erkennen. Viele Krater weisen terrassierte Innenränder auf, und Zentralberge findet man bei fast allen Kratern oberhalb einer bestimmten Größe. Daneben gibt es unzählige kleinere, schüsselförmige Krater bis herunter zur Größe des Auflösungsvermögens (und darüber hinaus). In den lunaren Hochländern überlappen sich die Krater vielfach. Einige der kleineren Krater treten sehr deutlich hervor, in manchen Kratern findet man auch andere, auffällige Details wie zum Beispiel dunkle Bänder.

Sekundärkrater und Strahlen

Sekundärkrater entstehen, wenn das beim eigentlichen Auffschlag ausgeworfene Material wieder herunterfällt und seinerseits Einschlagspuren hinterläßt. Feiner zerstäubte Auswurfmassen haben die Strahlensysteme hinterlassen, die beim Vollmond um einzelne Krater zu erkennen sind.

Überflutete Krater

Einige Krater haben einen sehr dunklen Boden und müssen entsprechend mit Lava gefüllt sein. Andere sind offenbar von anströmender Lava teilweise durchbrochen worden. Einige Krater schließlich sind bis zum Kraterrand vollgelaufen und bilden heute ein Hochniveau. Unter der Vielzahl teilweise zerstörter Formationen gibt es einige wenige Geisterkrater. Bei ihnen handelt es sich um alte Krater, die vollständig von Lava zugedeckt sind. Als die Lava später erkaltete, zog sie sich zusammen und paßte sich etwas den darunter verborgenen Formen an.

Rillen

Eine weitere häufig anzutreffende Formation sind die Mondrillen und Spalten, die unter der lateinischen Bezeichnung „rima“ zusammengefaßt werden. Einige stehen in scheinbar direktem Zusammenhang mit der Entstehung anderer Formationen. Demgegenüber zeigen andere weniger Bezug zu anderen Strukturen. Gewundene Rillen entstanden, als die Decken von Lavakanälen nachträglich einstürzten. Einige enge, umwunden Rillen durchziehen auch den Boden von Gebirgstälern. Einige Krater sind von Gräben durchzogen, ander durchschneiden den Kraterrand und setzen sich außen weiter fort.

Transiente Phänomene

In einzelnen Gegenden der Mondoberfläche werden vereinzelt Helligkeitsschwankungen beobachtet. Der Ursprung dieser transienten (=vorübergehenden) lunaren Phänomene (TLPs) ist unbekannt, könnte jedoch mit der Sonnenaktivität oder dem gelegentlichen Austreten von Gasen aus dem Mondinnern in Verbindung gebracht werden. Sie rufen kurzfristige Farbveränderungen in den betroffenen Gebieten hervor, die sich am besten mit Rot- oder Blaufiltern erkennen lassen.

Rekonstruktion der Geschichte des Mondes aus dem von den Apollo-Astronauten gesammelten Mondgestein.

Danach scheint der Mond vor etwa 4.45 Milliarden Jahren entstanden zu sein, nachdem zuvor ein etwa marsgroßer Brocken auf unseren Planeten gestürzt war und große Materiemengen aus der Erde herausgerissen hatte; da die Erde zu diesem Zeitpunkt noch weitgehend glutflüssig gewesen sein dürfte, konnte das zurückgebliebene „Loch“ ziemlich rasch wieder aufgefüllt werden. Anschließend waren Mond und Erde bis zu einem Zeitpunkt vor etwa 3.8 Milliarden Jahren einem nur langsam abklingenden Bombardement kleiner und größerer Brocken ausgeliefert, das damals über alle Körper im Sonnensystem hereinbrach: Überreste jener kleineren Bausteine (Planetesimalen), aus denen die Planeten herangewachsen waren, stießen nach und nach mit bereits fertigen Himmelskörpern zusammen.

Die Entstehung des Mondes

Die Frage nach dem Ursprung des Mondes ist noch nicht befriedigend geklärt. Nach wie vor werden drei im Prinzip unterschiedliche Szenarien diskutiert: Die Abspaltungstheorie – Die simultane Entstehung von Erde und Mond – Die Einfanghypothese. Die Kosmogenese des Erde-Mond-Systems ist bis heute eine offene Frage der Astrophysik.