Je leest:

De interne structuur van de maan: een mini aarde?

De interne structuur van de maan: een mini aarde?

Auteur: | 5 maart 2011

Al kunnen we het binnenste van de aarde en maan niet zien, toch is er iets te zeggen over hun opbouw. Aan de hand van metingen aan aardbevingsgolven door de aarde en maan worden deze structuren zichtbaar gemaakt. Dit vertelt ons dat de aarde en maan verschillen in hun interne opbouw.

De interne structuur van de aarde, opgedeeld in de korst, mantel en kern.

Aan de hand van golven door de aarde heen hebben wetenschappers al halverwege de vorige eeuw het binnenste van de aarde kunnen opdelen in drie lagen: de aardkorst, de aardmantel en de aardkern. Al gauw waren wetenschappers ook nieuwsgierig naar hoe het binnenste van onze dichtste buur eruit ziet: de maan. Is de opbouw van de maan hetzelfde als die van de aarde of juist heel anders? Om dit uit te zoeken werd in 1969 het Apollo Lunar Seismic Experiment opgezet door de NASA. Dit was tevens de eerste missie waarbij de mens voet op de maan zette!

Het Apollo Lunar Seismic Experiment

Het Apollo Lunar Seismic Experiment vond plaats tussen 1969 en 1972 uitgevoerd door de NASA. In deze periode plaatste de bemanning van de Apolloraketten vier seismografen op de zogenaamde “zichtzijde” van de maan; het deel van de maan dat wij vanaf de aarde kunnen zien. Lange tijd kon ook deze data geen uitsluitsel geven over de opbouw van de maan. Pas in de laatste tien jaar trekken wetenschappers echt conclusies uit de 40 jaar oude seismische gegevens!

Seismische golven

Om de interne structuur van de aarde en maan te bepalen, zijn metingen van seismische golven door de planeet nodig. Deze komen door bevingen (aardbevingen of maanbevingen). Maanbevingen worden veroorzaakt door bewegingen in het maanoppervlak door de aantrekkingskracht van de aarde en zon en niet door beweging langs plaatgrenzen zoals op aarde. De maan kent namelijk geen plaattektoniek zoals op aarde. De metingen worden gedaan met seismografen die verschillende soorten seismische golven meten: P- en S- en oppervlakte golven. P- en S-golven bewegen zich door de diepe aarde, terwijl oppervlaktegolven zich langs het aardoppervlak verplaatsen. Voor het bepalen van de interne structuur van een planeet zijn met name de P- en S-golven belangrijk.

S-golven plaatsen zich voort op een manier die je kunt vergelijken met een slang. De deeltjes in de aarde bewegen zich loodrecht op de bewegingsrichting van de golf. P-golven bewegen zich daarentegen voort als een rups: er vinden constant verdichtingen en verdunningen plaats van de deeltjes, doordat ze in dezelfde richting bewegen als de golf zich voortplant. P-golven zijn het snelst van alle seismische golven, gevolgd door S-golven. Oppervlaktegolven zijn het langzaamst.

P-golven (boven) verplaatsen de deeltjes zich als een rups. Bij S-golven (onder) bewegen de golven zich als een slang.

USGS

Bepaling van de interne structuur van een planeet

Dankzij de metingen door seismografen maken wetenschappers snelheidsprofielen door de aarde en maan heen met behulp van P- en S-golven. Hoe warmer het gesteente is waar de golven doorheen gaan, hoe sneller ze zich kunnen voortplanten. Omdat het dieper in de aarde steeds warmer wordt, zullen de seismische golven zich dus steeds sneller gaan voortplanten.

Als je kijkt naar de snelheidsprofielen van de aarde en de maan zie je dat de snelheid niet lineair toeneemt met de diepte, maar dat deze sprongen maakt. De snelheid neemt hier plotseling heel erg toe- of af. Deze plekken heten seismische discontinuïteiten. Zo’n discontinuïteit is een indicatie van het begin van een nieuwe laag of een nieuw deel van een laag.

Seismische discontinuïteiten

Waardoor wordt zo’n plotselinge verandering is snelheid dan veroorzaakt? Dit heeft te maken met een verandering in dichtheid. De vuistregel is hoe groter de dichtheid is, hoe sneller een golf zich door het vaste gesteente kan verplaatsen. Een P-golf zal zich langzamer verplaatsen door een vloeistof dan door een vaste stof. S-golven kunnen zich helemaal niet door een vloeibare stof verplaatsen doordat dit niet kan door het soort voortbeweging. Een seismische discontinuïteit komt dus door een overgang van een (deels) vloeibare naar een vaste laag of andersom.

Daarnaast zijn er in de aarde ook veranderingen in snelheid die worden veroorzaakt door de overgang van het ene mineraal in het andere mineraal. Een voorbeeld is de overgang van alfa-olivijn naar β-spinel op 410 kilometer diepte. De chemische samenstelling verandert hierbij niet, maar de dichtheid neemt wel toe. Onder druk worden de atomen en moleculen in mineralen steeds dichter op elkaar gedrukt, waardoor op grotere diepte de dichtheid toeneemt en de golven zich sneller kunnen bewegen. Uitzondering hierop is als de druk zo hoog is dat het gesteente (deels) vloeibaar is.

Het binnenste van de maan

Aan de hand van de data van Apollo Lunar Seismic Experiment hebben wetenschappers een snelheidsprofiel gemaakt voor de maan. Wetenschappers hebben de maan net als de aarde op basis van dit profiel kunnen opdelen in drie hoofdlagen: een dunne korst, een mantel en een kern. Net als bij de aarde vormt de korst maar een dun schilletje om de mantel heen.

Het snelheidsprofiel (links) van de maan naar aanleiding van het Apollo Lunar Seismic Experiment. De plotselinge veranderingen in de snelheid van de P- en S-golven (Vp en Vs) duiden op een nieuwe laag. De dichtheid (rechts) neemt sprongsgewijs toe waar een nieuwe laag begint.
R. Weber

Maan versus aarde

De mantel van de maan kan, in tegenstelling tot de aarde, niet worden opgedeeld in een vloeibare bovenmantel en vaste ondermantel, maar heeft homogenere structuur. Je kunt dit zien aan de snelheid van de aardbevingsgolven die door de hele mantel heen ongeveer gelijk blijft.

Meest opvallende aan de maan is de structuur van de kern en de onderkant van de maanmantel. Ten eerste is de kern van de maan veel kleiner dan die van de aarde. Waar de kern van de aarde meer dan de helft van de straal van de aarde beslaat (>3000 km!), heeft de maan slechts een kern met een straal van 330 kilometer. Dit is ongeveer een derde van de straal van de maan. Waarom dit zo is, weten wetenschappers nog niet. De opbouw van de kern is wel vergelijkbaar met die van de aarde. De kern bestaat uit een vaste binnenkern en een vloeibare buitenkern.

De maan heeft echter ook een laag die de aarde niet kent. Op de grens van maankern en –mantel bevindt zich een laag waar de snelheid van de seismische golven plotseling afneemt. In recent onderzoek verklaren wetenschappers dit door aan te nemen dat zich hier een dunne, gedeeltelijk vloeibare laag bevindt. Doordat de laag maar gedeeltelijk vloeibaar zou zijn, neemt de snelheid van de golven af. Dat S-golven zich er toch doorheen bewegen komt omdat de laag slechts gedeeltelijk vloeibaar is.

Een impressie van de structuur van het binnenste van de maan (links). Partial melt staat voor de dunne, gedeeltelijk vloeibare laag op de kern-mantel grens. De vier seismische stations van het Apollo Lunar Seismic Experiment zijn ook weergegeven (rechts; nr. 12, 14, 15 en 16).
R. Weber

Uit de gegevens die bekend zijn over de aarde en maan blijkt dus dat de maan zeker geen kleine versie van de aarde is, maar haar eigen interne opbouw heeft. Om met meer zekerheid iets te kunnen zeggen over de interne structuur van de maan moeten nog veel mee gegevens over worden verzameld. Daarvoor moeten idealiter nieuwe seismografen verspreid over het hele maanoppervlak worden geplaatst.

Referenties:

  • Wieczorek, M.A. The interior structure of the moon: What does geophysics have to say? Elements 5 (2009) 35-40 PDF
  • Weber, R.C. Seismic detection of the lunar core. Science 331 (2011) 309-312 PDF

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 maart 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.