College van de maand: De maan anders belicht

Momenteel ben ik in mijn derde jaar en volg een college genaamd Planetary Sciene. Hierin leren we over de planeten in ons zonnestelsel. Dit is een minor studie, dus een vrij keuzevak en ik voel me alsof ik weer in mijn eerste jaar zit. Alles is nieuw en interessant en geweldig. Daarom in dit College van de Maand een stukje over de maan.
Over het ontstaan van de maan kan je een dag lang debatteren, er zijn veel verschillende theorieën. Een van de theorieën voor het ontstaan van de maan is: de “Giant Impact”, zie fig. 1.

Fig.1. Artistieke schets van Theia (zie Wikipedia) die inslaat op de jonge aarde. Uit de inslag is mogelijk de maan ontstaan.

Volgens de onderbouwende modellen zou deze impact de rede zijn waarom de aarde en de maan zoveel op elkaar lijken, maar veel vluchtige stoffen zoals water en chloor hebben kunnen ontsnappen uit de maan. Een andere theorie gaat ervan uit dat de aarde een al bestaande satelliet in een baan rondom de aarde gevangen zou hebben. Weer een andere theorie zegt dat de aarde en maan tegelijkertijd ontstaan zijn. Wat we in ieder geval zeker weten is dat de maan en aarde een vergelijkbare compositie van elementen hebben, zie fig. 2.

Fig. 2. Zuurstofisotoop compositie die laat zien dat de aarde en de maan (zwarte lijn) duidelijk anders zijn dan gevonden meteorieten.

Maar waarom willen we eigenlijk zoveel weten over de maan? De belangrijkste reden is dat we meer kunnen begrijpen over wat er gebeurd is met de aarde, net nadat zij ontstaan was. Net als de aarde was de maan eerst een grote bol van magma. De maan is echter veel sneller afgekoeld dan de aarde door o.a. haar kleinere volume. Hierdoor is veel informatie over het begin van de maan en dus haar ontstaan, bewaard gebleven. Onderzoekers kunnen hierdoor in het verleden kijken. Ze kunnen zien hoe een jonge korst zich gevormd heeft. Doordat er weinig atmosfeer is geweest, (of dat de atmosfeer snel is weggeblazen) heeft er ook nauwelijks verwering plaatsgevonden, waardoor bijna alles wat er in de tussentijd gebeurd is bewaard gebleven is. Voor onderzoekers is dit een ideale omgeving.

Na de eerste maanlanding is er veel onderzoek gedaan aan de maanstenen die mee genomen zijn. Door de nog weinig ontwikkelde apparatuur van die tijd kon er niet zoveel informatie gewonnen worden uit deze stenen. Dit is de reden dat nog niet alle stenen die mee terug gegaan zijn van de Apollo missie goed onderzocht zijn. Met moderne apparatuur kan er uit hetzelfde materiaal veel meer informatie gehaald worden. Eerst werd er bijvoorbeeld gedacht dat de maan weinig tot geen water bevatte en ook weinig water had in haar verleden. Doordat er nu beter naar maanstenen gekeken kan worden, zijn onderzoekers erachter gekomen dat er insluitsels in de mineralen van sommige maanstenen zit. Deze insluitsels bevatten veel informatie over de samenstelling van het magma tijdens het kristalliseren van het mineraal.

Uit onderzoek is gebleken dat de korst van de maan bijna volledig uit plagioklaas bestaat. Mijn docent, Wim van Westrenen, heeft samen met studenten, Yanhao Lin, Elodie J. Tronche, Edgar S. Steenstra, een experiment uitgevoerd om na te gaan hoeveel water er nodig was voor de kristallisatie van plagioklaas. Van Westrenen heeft over dit onderzoek een artikel geschreven, genaamd ‘Evidence for an early wet moon’. Het artikel is gepubliceerd in Nature geoscience. Met toestemming van mijn docent vat ik dit artikel in mijn eigen woorden samen.

De maan ontstond doordat massa bij elkaar klonterde in de ruimte door middel van gravitatie ten opzichte van elkaar. Dit vormde uiteindelijk een bol van magma, waar zich al een vaste kern in heeft kunnen vormen. Terwijl deze oceaan van magma aan het afkoelen was, kristalliseerde hier verschillende mineralen uit. De zware mineralen zoals pyroxeen en olivijn konden naar beneden zinken en lichtere mineralen als plagioklaas, dreven omhoog naar de oppervlakte om de korst te vormen, zie fig. 3.

Fig. 3. Magma oceaan die langzaam afkoelt. Mineralen kristalliseren uit.

Het ontstaan van de korst gebeurde ongeveer 4.4 miljard jaar geleden. Uit data rond 1990 verzameld dacht men dat de korst van de maan een gemiddelde dikte had van ~52km en dat deze voornamelijk zou bestaan uit plagioklaas. Met deze informatie zijn er modellen opgezet die de mogelijke hoeveelheid uitgekristalliseerde mineralen berekenen. Deze modellen gingen alleen uit van de afwezigheid van water, bijvoorbeeld Snyder et al, zie fig. 5. Omstreeks 2013 bleek uit nieuwere data, dat de korst van de maan maar een gemiddelde dikte had van 34 tot 43km dikte, zie fig. 4.

Fig. 4. Het bovenste plaatje laat data zien uit 1990 (Clementine), waarbij de gemiddelde dikte van de korst ongeveer 52 km is.
Het onderste Plaatje laat data zien van de GRAIL missie uit 2013. Hierbij wisselt de gemiddelde dikte tussen de 34 en 43 km, afhankelijk van de gescande plek.

De eerdere modellen klopten nu niet meer met de huidige data, dus moesten er nieuwe modellen bedacht worden. De oude modellen zijn niet per se fout doordat ze gebaseerd zijn op andere data, maar tegenwoordig produceren ze dus te veel korst. Mijn docent heeft samen met studenten experimenten uitgevoerd zodat er modellen ontstaan die overeenkomen met de data. Uit het experimenten blijkt dat wanneer je magma meer water bevat, het magma minder plagioklaas vormt dan wanneer deze geen water bevat, zie fig. 5.

Fig. 5. Rechts staan de mineralen die gevormd zijn tijdens de experimenten (hoge T en P-omstandigheden) Cpx staat voor het mineraal clinopyroxeen en Opx staat voor orthopyroxeen. De y-as geeft aan hoeveel procent vaste stof, dus mineralen, zich gevormd heeft. De resultaten van a, b, c komen allemaal uit de experimenten van mijn docent. Kolom a geeft het resultaat weer waarbij het meeste water is toegepast; kolom b een halvering van de hoeveelheid water en c onder droge omstandigheden. De resultaten van d is een referentie voor dit experiment van een vergelijkbaar model van Snyder et al. (1992).

Het toevoegen van water aan een magma vertraagt het kristallisatie proces van plagioklaas. Water breekt namelijk lange ketens van Si-O ketens op. Dus door het toevoegen van water ontstaat er een minder grote hoeveelheid plagioklaas, wat beter aansluit met de huidige data. Uit dit onderzoek is gebleken dat de maan een groot volume aan water bevatte in haar beginnende fase. Dit zou gaan om meer dan 1000 ppm aan water in de magma oceaan. Dit water kan nog steeds in mineralen zitten in het binnenste van de maan, maar in een andere vorm dan vloeibaar water.
Nadat er een oplossing voor de data is gevonden, komen er alleen maar meer vragen. Waar is al dit water dan precies vandaan gekomen? En als de maan zoveel water bevatten, zal een groot gedeelte aan water dan ook aanwezig geweest zijn tijdens de beginnende fase van de aarde? Bovendien is de vraag nog steeds niet opgelost over hoe de maan ontstaan is. Met deze gegevens zou de Giant Impact theorie niet meer kloppen, omdat hierbij water kan ontsnappen terwijl uit de gegevens blijkt dat water aanwezig was tijdens de formatie van de planeet.
Deze vragen zijn nog niet in zijn geheel beantwoord; ik ben nieuwsgierig naar de verschillende antwoorden die zullen komen in de toekomst.

Bronvermelding van de afbeeldingen:

Figuur 1,3,4 en 5 komen uit de PowerPointpresentatie van mijn docent.
Figuur 2 is afkomstig van http://www.psrd.hawaii.edu/Dec01/Oisotopes.html

Informatie is o.a. afkomstig uit het artikel Evidence for an early wet Moon from experimental crystallization of the lunar magma ocean; Yanhao Lin, Elodie J. Tronche, Edgar S. Steenstra and Wim van Westrenen. Figuur 5 staat ook in het artikel vermeld.