La masse d’une planète est la grandeur qui détermine la formation d’une atmosphère. Ainsi, les planètes extérieures massives de notre système solaire ont d’immenses atmosphères composées d’hydrogène, d’hélium, d’ammoniac et de méthane. Les planètes intérieures, en revanche, ont des atmosphères peu développées, où les gaz plus lourds que sont l’oxygène, l’azote et le dioxyde de carbone jouent le rôle principal. Pour les objets encore plus petits, comme la Lune de la Terre, la force gravitationnelle n’est plus suffisante pour lier les gaz de manière permanente.

Il existe cependant une atmosphère volatile composée d’atomes qui pourraient avoir été éjectés des roches de la surface lunaire par des micrométéorites, par des ions du vent solaire ou par des photons. Elle pourrait également avoir été formée par l’évaporation d’atomes de la surface plus chaude et éclairée.

Les observations dans la gamme de longueurs d’onde des éléments sodium et potassium permettent de suivre les propriétés de cette atmosphère ténue, ce qui peut donner des informations importantes sur sa formation et sa conservation. Bien que les images spectroscopiques de la basse atmosphère soient possibles à chaque phase lunaire, les images de l’atmosphère étendue ne sont possibles que dans des circonstances particulières. Près de la nouvelle lune, le ciel est encore trop lumineux à l’heure de l’observation, et près de la pleine lune, la lumière diffusée par le disque lunaire masqué éclipse l’objet d’observation proprement dit. Une éclipse totale de la Lune, lors de laquelle la Lune est entièrement plongée dans l’ombre de la Terre, mais l’atmosphère lunaire est encore éclairée par le Soleil, offre une occasion favorable.

Pour obtenir la répartition circumlunaire du sodium, plusieurs clichés sont nécessaires : un cliché dans la longueur d’onde du sodium, qui contient en outre de la lumière parasite, et un autre en dehors de cette bande de longueur d’onde. Par soustraction, on obtient une image de la répartition du sodium provenant de sources lunaires et terrestres. Une troisième image, dans laquelle le télescope ne pointe pas vers la Lune, fournit la contribution des sources terrestres. Par une dernière soustraction, on obtient ainsi les données souhaitées.

L’atmosphère de sodium observée par M. Mendillo et J. Baumgardner (Nature 377, 404 [1995]) en novembre 1993 pendant une éclipse totale de Lune était considérablement plus étendue que prévu - elle s’étendait sur au moins neuf rayons lunaires. La répartition de la luminosité mesurée permet maintenant de tirer des conclusions sur la formation de l’atmosphère. Selon les auteurs, elle est incompatible avec des sources impliquant soit le vent solaire, soit des micrométéorites. La pulvérisation de photons ou l’évaporation thermique restent les explications privilégiées pour l’atmosphère lunaire. Cela laisse supposer que les atmosphères volatiles d’autres corps simples, comme Mercure, sont également produites par la lumière solaire.