Is There an Atmosphere on the Moon

background image

Is There an Atmosphere on the Moon?


Until  recently,  most  everyone  accepted  the  conventional  wisdom  that  the  moon 

has virtually no atmosphere. Just as the discovery of water on the moon transformed our 
textbook knowledge of Earth's nearest celestial neighbor, recent studies confirm that our 
moon  does  indeed  have  an  atmosphere  consisting  of  some  unusual  gases,  including 
sodium and potassium, which are not found in the atmospheres of Earth, Mars or Venus. 
It's an infinitesimal amount of air when compared to Earth's atmosphere. At sea level on 
Earth,  we  breathe  in  an  atmosphere  where  each  cubic  centimeter  contains 
10,000,000,000,000,000,000  molecules; by comparison the lunar atmosphere has less 
than 1,000,000 molecules in the same volume. That still sounds like a lot, but it is what 
we consider to be a very good vacuum on Earth. In fact, the density of the atmosphere at 
the  moon's  surface  is  comparable  to  the  density  of  the  outermost  fringes  of  Earth's 
atmosphere where the International Space Station orbits. 

What  is  the  moon's  atmosphere  made  of? We  have  some  clues.  The  Apollo  17 

mission deployed an instrument called the Lunar Atmospheric Composition Experiment 
(LACE)  on  the  moon's  surface.  It  detected  small  amounts  of  a  number  of  atoms  and 
molecules  including helium, argon, and possibly neon, ammonia, methane and carbon 
dioxide. From here on Earth, researchers using special telescopes that block light from 
the  moon's  surface  have  been  able  to  make  images  of  the  glow  from  sodium  and 
potassium atoms in the moon's atmosphere as they are energized by the sun. Still, we 
only have a partial list of what makes up the lunar atmosphere. Many other species are 

We think that there are several sources for gases in the moon's atmosphere. These 

include  high  energy  photons  and  solar  wind  particles  knocking  atoms  from  the  lunar 
surface,  chemical  reactions  between  the  solar  wind  and  lunar  surface  material, 
evaporation  of  surface  material,  material  released  from  the  impacts  of  comets  and 
meteoroids,  and  out-gassing  from  the  moon's  interior.  But  which  of  these  sources  and 
processes are important on the moon? We still don't know. 

With the discovery of significant ice deposits at the moon's poles by NASA's Lunar 

CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) and Lunar Reconnaissance Orbiter 
(LRO) missions, and the discovery of a thin scattering of water molecules in the lunar soil 
by  the  Chandrayaan  X-ray  Observatory,  another  fascinating  possibility  has  captured 
researchers'  interest.  The  moon's  atmosphere  may  play  a  key  role  in  a  potential  lunar 
water cycle, facilitating the transport of water molecules between polar and lower latitude 
areas. The moon may not only be wetter than we once thought, but also more dynamic. 

One of the critical differences between the atmospheres of Earth and the moon is 

how atmospheric molecules move. Here in the dense atmosphere at the surface of Earth, 
the  molecules'  motion  is  dominated  by  collisions  between  the  molecules.  However  the 
moon's atmosphere is so thin, atoms and molecules almost never collide. Instead, they 
are free to follow arcing paths determined by the energy they received from the processes 
described above and by the gravitational pull of the moon. 

The technical name for this type of thin, collision-free atmosphere that extends all 

the way down to the ground is  a "surface boundary exosphere." Scientists believe this 
may be the most common type of atmosphere in the solar system. In addition to the moon, 
Mercury, the larger asteroids, a number of the moons of the giant planets and even some 

background image

of the distant Kuiper belt objects out beyond the orbit of Neptune, all may have surface 
boundary exospheres. But in spite of how common this type of atmosphere is, we know 
very little about it. Having one right next door on our moon provides us with an outstanding 
opportunity to improve our understanding. 

Among  the  goals  of  the  Lunar  Atmosphere  and  Dust  Environment  Explorer 

(LADEE) are to determine the composition and structure of the tenuous lunar atmosphere 
and to understand how these change with time, and as external conditions vary. LADEE's 
measurements come at a key time: with increasing interest in the moon by a number of 
nations,  future  missions  could  significantly  affect  the  natural  composition  of  the  lunar 

of 2