von Werner Sticht

Wo kommt alles her?



Hier ist noch Baustelle.



Naturgesetze

Was ist ein Naturgesetz?

Als Naturgesetz wird eine Regelmäßigkeit in den Vorgängen der Natur bezeichnet. Und es gibt ganz enorm viele Naturgesetze.

Ein Vorgang in der Natur ist oft sehr vielfältig. Viele Einzelvorgänge spielen dabei zusammen. Diese Einzelvorgänge müssen nun als solche erkannt und getrennt werden. Sie sollten nichts miteinander zu tun haben. Jedes dieser Einzelvorgänge ist daraufhin möglichst einfach zu erklären. (Ockhams Rasiermesser)
Die Erklärung erfolgt neben einer Beschreibung auch durch Begriffe, die man in mathematischen Formeln miteinander verbindet. Durch die Mathematik hat man dann auch Zahlenwerte. Auf diese Weise entsteht ein Naturgesetz.

Nehmen wir als Beispiel einen Vorgang in der Natur her.
Wenn man einen Stein und eine Daunenfeder gleichzeitig fallen lässt, so hat man das Naturgesetz des freien Fallens und das Naturgesetz des Luftwiderstandes zur Erklärung des gesamten Vorganges heranzuziehen.
Beide Naturgesetze, das des freien Falles und das des Luftwiderstands, sind unabhängig voneinander. Aber ihr Zusammenspiel erklärt dann einen Naturvorgang, welcher die Philosophen des Altertums reichlich irritiert hat.

Von anderen Gesetzen unterscheiden sich Naturgesetze darin, dass sie nicht von Menschen nach deren Belieben in Kraft oder außer Kraft gesetzt werden können.
Mit einem Vorgang in der Natur, etwa einem Vulkanausbruch oder einem Wirbelsturm, kann man auch nicht verhandeln. Man ist ihm ausgeliefert. Man kann einen Naturvorgang nicht besänftigen, ihm ein Opfer bringen oder ihn um Gnade bitten. Der Vorgang ist kein Ausbruch von Zorn oder Wut, den man früher Göttern unterstellt hat, wenn ein besonders schlimmes Naturgeschehen die Menschen schädigte.

Man kann Naturgesetze nicht beweisen. Man kann sie nicht übertreten. Man kann sie jedoch jederzeit beobachten und nachprüfen. Die gelehrtesten Köpfe der Menschheit suchen immer wieder nach Ausnahmen von Naturgesetzen. Sollten sie fündig werden, stürzen sich gleich viele höchst gelehrte Personen darauf, um diese Abweichungen zu untersuchen und eine neue Fassung des Naturgesetzes zu erarbeiten.
Deshalb kommen Naturgesetze der Wahrheit auch am nächsten.

Oft sind Naturgesetze an gewisse Bedingungen geknüpft. Beispielsweise kann man bei Temperaturen von mehreren Millionen Grad die Gesetze zu Festkörpern fast immer ignorieren. Die Gesetze zu Festkörpern gelten zwar dann immer noch. Es sind aber bei Millionen Grad keine normalen Festkörper mehr da.
Eine wichtige Eigenschaft der Naturgesetze ist jedoch ihre Unabhängigkeit von Ort und Zeitpunkt. Besonders die Astronomie baut darauf, dass auch im entferntesten Teil des Universums die Gesetzmäßigkeiten der Physik die gleichen sind, wie auf der Erde. Und auch vor Milliarden von Jahren sind diese Gesetzmäßigkeiten schon genau so gewesen wie heute. Sie werden auch in der Zukunft gelten.
Die Astronomen konnten nachweisen, dass sich die Naturgesetze, zumindest in den letzten 8 Milliarden Jahren, überhaupt nicht verändert haben.

Das Zusammenspiel von Naturgesetzen

Ein Naturvorgang ist eine Abfolge von Wirkungen vieler Naturgesetze. In den meisten Fällen ist es recht einfach, die wichtigsten Wirkungen und die dazu gehörigen Naturgesetze zu erkennen. Ein Beispiel für einen einfachen Naturvorgang ist, dass es warm wird, wenn die Sonne scheint. Schwieriger wird es erst, wenn man die weniger deutlichen Einzelheiten eines Naturvorgangs erklären will - mit all den zugehörigen Naturgesetzen. Denken wir etwa an die Wirkung der UV-Strahlung, wenn die Sonne scheint.

Nehmen wir nun einmal ein wirklich vielschichtiges Naturereignis her - etwa ein Gewitter. Viele Menschen sind damit hoffnungslos überfordert. Es fehlen ihnen Kenntnisse über Gewitterwolken, Blitz und Donner.
Jeder dieser Einzelvorgänge ist selbst schon so komplex, dass sogar Forscher auf dem entsprechenden Gebiet an die Grenzen ihres Wissens kommen.
Da ist es dann doch einfacher, zu erzählen, beim Gewitter schimpfe ein Gott über die Kinder, die nicht gehorchen wollen oder ihre Suppe nicht essen wollen.

Überhaupt mussten viele Menschen die Vorgänge in der Natur erst genau beobachten und aufschreiben, damit das nötige Gedankengebäude überhaupt erst aufgebaut werden konnte.
Die Menschen erfanden zuerst eine einfache Erklärung des Naturvorgangs - eine Hypothese. Diese Erklärung beschreibt, wie sich der Vorgang abgespielt haben könnte. Dann kamen andere Menschen und hatten Einwände. Das bisherige Gedankengebäude wurde umgebaut. Immer mehr neue Erklärungen flossen ein. Es entwickelte sich eine Theorie.
Beim Aufbau des Gedankengebäudes musste viel miteinander geredet werden. Nicht immer aber waren die Erklärer untereinander einig. Max Planck hat es so formuliert:
Eine neue wissenschaftliche Wahrheit pflegt sich nicht in der Weise durchzusetzen, daß ihre Gegner überzeugt werden und sich als belehrt erklären, sondern vielmehr dadurch, daß ihre Gegner allmählich aussterben und daß die heranwachsende Generation von vornherein mit der Wahrheit vertraut gemacht ist.
Man kann also durchaus von einem Evolutionsprozess sprechen. In einigen Fällen fand man auf diese Weise ein neues Naturgesetz.
Ich erinnere in diesem Zusammenhang an das Beispiel oben mit dem Fallen eines Steins und einer Daunenfeder. Auch das Leben des Galilei mag als beispielhafter Beleg dienen.

Eine grundlegende Regel aller menschlichen Erkenntnis ist die Folge von Ursache und Wirkung. Ereignisse müssen Ursachen haben, die zeitlich vor der Wirkung (bzw. dem Ereignis) vorhanden waren. Aber die gleiche Ursache muss nicht zwingend immer die gleiche Auswirkung haben. Wenn ein Glas vom Tisch fällt, kann es zerspringen oder auch heil bleiben.
Wenn wir also ein zerbrochenes Glas sehen, so können wir schließen, was vorher mit dem Glas geschehen sein mag. Nach Ablauf eines Naturvorgangs finden wir nämlich einen Endzustand vor. Aus diesem Endzustand können wir auf eine mögliche zeitliche Reihenfolge von Einzelschritten schließen, die letztendlich den Endzustand herbeiführten. Wir können so auch erkennen, welche Naturgesetze bei dem Vorgang überhaupt beteiligt waren. Das Erklären wird einfacher.
Leider gilt die Regel von Ursache und Wirkung nicht mehr in der Quantenmechanik. Die Quantenmechanik ist das Reich der Zufälle. Nur die darin errechenbaren Mittelwerte können mit der Regel von Ursache und Wirkung überprüft werden.

Weil wir nun viele Naturgesetze kennen, können wir sagen, welche Abläufe in der Natur nicht möglich sind. So sind Zeitreisen, Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit, Antigravitation, Personentransmitter und vieles anderes aus der Science-Fiction nach unserem heutigen Wissensstand nicht möglich.
Sicherlich findet man einmal zusätzliche neue Naturgesetze. Dabei müssen allerdings die bisher gefundenen Naturgesetze weiterhin gültig bleiben. Die Einbildungen aus den Zukunftsromanen werden mit neu gefundenen Naturgesetzen sicherlich nicht möglich. Statt dessen wird die Zukunft mit ganz anderen Glanzlichtern aufwarten. Denken wir doch nur an das Internet und die Wischkästl (neusprech Smartphones).

Grenzen der Naturgesetze

Die Urknalltheorie erklärt uns weitgehend die Ereignisse kurz nach der Entstehung des Weltalls. Sie ist heute weithin anerkannt. Es gibt aber immer Fragen zur Natur, die nach unserem jetzigen Wissensstand nicht beantwortet werden können. Zum Beispiel:
Es soll damals die Zeit stillgestanden haben, der Raum undenkbar klein gewesen sein und die Masse aber ganz enorm groß. Wegen dem Stillstand der Zeit gab es auch keine Ursache und keine Wirkung. Es passierte nichts. Es gab keinen Raum.
Wir sind also an einem Anfang, den wir geistig nicht erfassen können. Wir sind da nicht besser dran als die Theologen, die ihren Schöpfer-Gott auch nicht erfassen können, und nicht erklären können, wer ihren Schöpfer-Gott erschaffen hat.
Übrigens: Im Innern eines Schwarzen Lochs soll auch die Zeit stillstehen und der Raum undenkbar klein sein.

Zur Natur gehört nicht nur die Materie, sondern auch die Lebewesen. Auch bei ihnen gibt es Gesetzmäßigkeiten, etwa die Reproduktion, die Vererbung, die Evolution, die Philosophie, die Erfahrung.
Diese Gesetzmäßigkeiten setzen aber das Vorhandensein von denkendem Leben voraus. Sie sind damit außerordentlich eingeschränkt. Vor allem sind sie nicht mehr unabhängig von Ort und Zeitpunkt.
Wenn wir uns noch weiter eingrenzen, kommen wir zu Regeln für Einzelpersonen.
Dann treten Fragen auf wie: Diese Fragen können anhand der Naturgesetze nicht - oder höchstens ungenügend - beantwortet werden. Wer die aufgezählten Fragen beantworten will, kann die Naturgesetze zu Hilfe nehmen. Sie liefern jedoch nur ein Grundgerüst. Die Antworten hängen letztendlich von der persönlichen Beziehung zwischen fragendem und antwortendem Lebewesen ab.

Größenordnungen von Zahlenwerten

Die Naturgesetze sind mit Worten beschrieben. Aber es werden zusätzlich mathematische Formeln angegeben. Deshalb kann man nun auch mit Zahlen und Werten arbeiten.

Einige der Zahlen, die in Naturgesetzen verwendet werden, sind sehr groß. Andere sind sehr klein. Hier nur eine Kostprobe:
Alter des Universums: 13,8 Milliarden Jahre
Alter der Erde: 4,6 Milliarden Jahre
Entfernung Erde-Sonne: 149,6 Mio. km oder 1 Astronomische Einheit
Entfernung zum nächsten Stern: 4,24 Lichtjahre oder ca. 4E13 km
Durchmesser Wasserstoffatom: 64 pm oder 64E-12 m
Wellenlänge der Na-Doppellinie im Spektrum:    588,99 nm und 589,59 nm

Wir sehen schon, dass alle diese Zahlen mit den Angaben aus früheren Zeiten kaum in Einklang zu bringen sind. Es gab Menschen, die den Zeitpunkt der Schöpfung aus Angaben in der Bibel auf den 23. Oktober 4004 vuZ, 9 Uhr morgens festlegten.
Aufgrund der Evolution des menschlichen Wissens können wir es heute besser angeben.

Exponentialschreibweise

Bei großen Zahlen mit vielen Nullen am Ende und bei kleinen Zahlen mit vielen Nullen nach dem Komma verwendet man gerne eine besondere Schreibweise, die Exponentialschreibweise. Man muss dann nicht so viele Nullen abzählen und macht weniger Fehler.
1000000 kann man als 1E6 schreiben - also eine 1 mit 6 Nullen.
1200000 kann man als 1,2E6 schreiben - also 1,2 oder 1,2000000 bei der man das Komma um 6 Stellen nach rechts gesetzt hat : ergibt 1200000,0 oder 1200000.
0,001 kann man als 1E-3 schreiben - also 1 oder 0001,000 bei der man das Komma um 3 Stellen nach links gesetzt hat : ergibt 0,001000 oder 0,001.
Nebenbei: Damit man eine große Zahl leichter erfasst, kann man von hinten immer drei Stellen durch einen Punkt abtrennen. Man kann den Punkt auch weglassen.
10.000.000.000 = 10000000000 = 10 Milliarden = 10E9 =1E10

Abkürzungen

Im täglichen Gebrauch haben sich Abkürzungen für ganz große und für ganz kleine Zahlen eingebürgert.
Ein Kilometer (1 km) sind 1000 Meter.
Ein Millimeter (1 mm) ist ein tausendstel Meter oder 0,001 Meter.
Die wichtigsten derartigen wörtlichen Abkürzungen für Größenordnungen sind:
KiloE31000
MegaE6Million
GigaE9Milliarde
TeraE12Billion
       
milliE-30,001
micro (µ)E-60,000001
nanoE-9Milliardstel
picoE-12Billionstel

Wichtige Abkürzungen aus der Astronomie sind:
1 AE   1 Astronomische Einheit   149,6 Mio. km oder 149,6E6 kmIst der Abstand Erde-Sonne
1 LJ1 Lichtjahr 9,46 Billionen km oder 9,46E12 km   So viel Weg legt das Licht in einem Jahr zurück.

Vorstellungen

Die Begriffe Tausend, Million, Milliarde sind für uns schon ein Problem.
Tausend Euro sind gerade mal 2 Stück von 500-Euro-Scheinen.
1 Million Euro sind 2000 solche Scheine. Gepackt sind das 160*82*240mm, wobei 240mm die Stapelhöhe ist. Gewicht 2,24kg. Das passt also noch in eine Sporttasche.
1 Milliarde Euro sind dann 1000 1-Million-Euro-Pakete, also 1,6*0,82*2,4m bei einem Gewicht von 2,24t. Da braucht man einen Gabelstapler.

Ein Mensch mag 40000 Euro im Jahr verdienen, wenn er anständig bezahlt wird. Im Leben werden das - wegen der Inflation - über 2 Millionen Euro werden. Wer also Milliardär ist, hat sein Geld irgendwie bekommen, und nicht wie ein normaler Mensch erarbeitet. Die Milliarde Euros mussten von vielen normalen Menschen erarbeitet werden. Der Milliardär hat sich diese Werte dann angeeignet.
Mit einer Milliarde Euro kann man nun 1000 Menschen 25 Jahre lang beschäftigen, wenn man bei 40000 Euro pro Jahr bleibt. Man kann damit schon eine Horde Lobbyisten finanzieren, ja sogar Parteien aufbauen.
Siehe beispielsweise Wikipedia-Artikel Großindustrie und Aufstieg der NSDAP.

Wir haben jetzt nur die Begriffe Milliarde und Million beschrieben.
Im Weltall sind noch viel größere Zahlen bzw. Größenordnungen zu bewältigen, die wir uns hier auch veranschaulichen wollen.
- Durchmesser Mond 3.500 km = 3,5E6 m
- Durchmesser Erde: 12.700 km = 12,7E6 m
- Durchmesser Sonne 1.393.000 km = ca. 1,4E9 m
- Abstand Erde-Mond: 385.000 km = 385E6 m
- Abstand Erde-Sonne: 150.000.000 km = 150E9 m = 1,5E11 m
- Abstand zu Prox. Centauri: 4,24 Lichtjahre, etwa 40 000 000 000 000 km = 40E15 m = 4E16 m
- Durchmesser Milchstraße: 100.000 Lichtjahre
- Abstand zum Andromedanebel: 2 Millionen Lichtjahre

Kirschkernvergleiche bei Längenangaben:

Für Mengenangaben wollen wir uns veranschaulichen:

Auf der Erde leben etwa 7 Milliarden Menschen. Dann kämen allein in der Milchstraße 14 bis 57 Sterne auf jeden Menschen. Und es kämen dann sogar 280 Galaxien des Universums auf jeden Menschen.
Ist es da nicht vermessen, wenn man bei diesem Aufwand den Menschen als Krone der Schöpfung bezeichnet.

Vom Urknall bis zum Anfang unseres Sonnensystems

Dass das Universum endlich ist, hat man schon 1832 erkannt. Wäre es unendlich, wäre der Himmel auch nachts hell.
In den 1920er Jahren wurden dann die Entfernungen zu anderen Galaxien gemessen. Dabei stellte man fest, dass die Galaxien sich mehrheitlich von uns weg bewegen. Besonders auffällig war, dass die Geschwindigkeit des Entfernens um so größer war, je weiter die Galaxie selbst weg war. Daraus ergab sich die Folgerung, dass sich das Universum ausdehnt. Wenn es sich aber ausdehnt muss es einen Beginn, einen Anfang der Ausdehnung gegeben haben. Und dieser Anfang muss recht heftig gewesen sein. Man nennt ihn heute den Urknall.

Bild aus Wikipedia
Expansion des Universums. Das Bild ist nur zur Veranschaulichung. Es ist nicht maßstäblich.

Bildherkunft: https://de.wikipedia.org/wiki/File:Expansion_des_Universums.png aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber: NASA.

Der Urknall war nach heutiger Kenntnis vor 13,8 Milliarden Jahren.
Wenn wir Kenntnisse aus dieser Zeit finden wollen, so haben wir nur das Licht aus dem Weltall zur Verfügung. Aber durch folgerichtige Anwendung der Naturgesetze können nun Theorien aufgestellt werden, die uns erklären, was sich damals alles abgespielt hat.
Ich schreibe hier in stark verkürzter Form, was heute die Mehrheit der Wissenschaftler annimmt. Die angegebenen Zahlen sind zum Teil sehr ungenaue Schätzwerte.


Bei den Daten zum Urknall sind wir auf das Licht aus dem Weltall angewiesen. Wir können nur bis zu der Zeit zurückschauen, als das Weltall durchsichtig wurde - also bis 400.000 Jahre nach dem Urknall. Das Licht von damals ist die kosmische Hintergrundstrahlung. Es ist eine Mikrowellenstrahlung mit einem Maximum bei 6cm.

Es bleiben viele Fragen offen. Die Ereignisse nach den ersten 400.000 Jahren können zeitlich nur äußerst ungenau eingeordnet werden. Wir können einfach nicht sagen, wann und wie die Milchstraße entstanden ist. Es gibt eine Abschätzung für das Alter des Zentrums: 13.600 ±800 Millionen Jahre. Die Spiralarme sind dagegen nur 8.800 ±900 Millionen Jahre.
Es hat also ausgesprochen lange gedauert, bis die Milchstraße ihr heutiges Aussehen bekam.


Bild aus Wikipedia
Kugelsternhaufen M3

Bildherkunft linkes Bild (Kugelsternhaufen):
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:M3LRGB_891x674.jpg aus Wikimedia Commons, the free media repository.
Urheber: Robert J. Vanderbei.

Bildherkunft rechtes Bild (Milchstraße):
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fig_STE_01.svg aus Wikimedia Commons, the free media repository.
Urheber: Andrus31.
Bild aus Wikipedia
Milchstraße mit Geschwindigkeitsvektor der Sonne

Unser Sonnensystem

Nach unserem heutigen Wissen bewegte sich vor etwa 4,6 Milliarden Jahren an Stelle des Sonnensystems eine ausgedehnte Molekülwolke in einem Seitenarm um das Zentrum der Milchstraße. Die Wolke bestand zu über 99% aus den Gasen Wasserstoff und Helium. Der Wasserstoff und der überwiegende Teil des Heliums war bereits beim Urknall entstanden. Ein geringer Anteil mikrometergroßer Staubteilchen aus schwereren Elementen und Verbindungen, wie Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, anderen Kohlenstoffverbindungen, Ammoniak und Siliziumverbindungen war im Innern von Sternen erzeugt worden, und bei deren Explosion als Sternenstaub freigesetzt worden.
Teile der Materiewolke zogen sich infolge der eigenen Schwerkraft zusammen und verdichteten sich. Die Temperatur lag schätzungsweise bei 10 Kelvin. Den Anstoß zur Verdichtung könnte die Explosion einer relativ nahen Supernova gegeben haben, deren Druckwellen durch die Wolke wanderten. Diese Verdichtungen führten zur Bildung von vermutlich mehreren hundert oder gar tausend Sternen in einem offenen Sternhaufen, der sich wahrscheinlich nach einigen hundert Millionen Jahren in freie Einzel- oder Doppelsterne auflöste. 80-90% sind dabei Doppel- und Mehrfachsterne.

Aus einem Teil dieser Materiewolke bildete sich nun das Sonnensystem. Da sich die gesamte Wolke schon selbst drehte, wurde bei deren Zusammenziehen die Drehung schneller, und die Wolke formte sich zu einer drehenden Akkretionsscheibe. Siehe folgendes Bild.
Fast die gesamte Materie des Sonnennebels stürzte dabei in das Zentrum und bildete einen Protostern, der sich weiter zusammenzog. Im Innern dieses Gaskörpers stiegen Druck und Temperatur so weit an, bis ein Kernfusionsprozess zünden konnte, bei dem Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen. Die dabei freigesetzte Energie erzeugte einen Strahlungsdruck, der der Gravitation entgegenwirkte und die weitere Kontraktion aufhielt. Ein stabiler Stern, ein Gelber Zwerg, war entstanden - unsere Sonne.

Bild aus Wikipedia
Die Geburt eines Sterns.

Bildherkunft: https://de.wikipedia.org/wiki/File:Witness_the_Birth_of_a_Star.jpg aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber: NASA.

Schon lange bevor die Kernfusion zündete, entwickelte sich um den zentralen Stern zu die protoplanetaren Scheibe. Der Sternenstaub dort hatte etwa ein Aussehen wie Asphaltabrieb. Seine Temperatur betrug 10° Kelvin (-263° Celsius) oder weniger. Der Staub verklumpte und kondensierte zunächst zu Brocken von wenigen Millimetern Größe. Die Klumpen verklebten miteinander und sammelten immer mehr Material auf, bis sie die Größen von bis zu wenigen Kilometern Durchmesser erreichten. Man nennt diese Objekte nun Planetesimale, also Bausteine der Planeten. Es gab Millionen davon.
Durch die Gravitation stießen die Plantesimale manchmal zusammen. Sie konnten sich dabei vereinigen. Auf diese Weise entwickelten sich die kugelförmigen Protoplaneten. Bei den Zusammenstößen heizten sich die Protoplaneten so stark auf, dass sie vollständig glutflüssig wurden, ja dass einige auch heute noch innen geschmolzen sind.
Wenn Planetesimale oder gar Protoplaneten zusammenstießen, so konnten sie sich auch gegenseitig zerstören. Solche Bruchstücke findet man heute noch als Monde der äußeren Planeten, beispielsweise den Jupitermond Amalthea oder der Uranusmond Miranda, der sichtbar aus mehreren Bruchstücken besteht.

Das Wachstum der Protoplaneten verlief nicht gleichmäßig. Die schwersten Objekte übten die größten Gravitationskräfte aus, zogen Materie aus einem weiten Umkreis an und konnten so noch schneller wachsen. Der Protojupiter störte schließlich mit seinem Gravitationsfeld andere Planetesimale und beeinflusste deren Wachstum. Wahrscheinlich verhinderte er auch die Bildung eines größeren Körpers zwischen der Mars- und Jupiterbahn, was zur Entstehung des Asteroidengürtels führte.

Einen maßgeblichen Einfluss hatte der Abstand der Protoplaneten zur jungen Sonne. In Sonnennähe kondensierten schwerflüchtige Elemente und Verbindungen aus. Die leichtflüchtigen Gase (auch Wasser) wurden durch den damals besonders kräftigen Sonnenwind weggerissen. Hier entstanden deshalb die inneren Planeten, Merkur, Venus, Erde, und Mars, mit silikatischen Oberflächen. In den kälteren Außenregionen jedoch konnten die entstehenden Planeten auch die leichtflüchtigen Gase, wie Wasserstoff, Helium und Methan festhalten. Hier bildeten sich die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun.

Außerhalb der jetzigen Bahn des Neptun gab es zwar noch reichlich Planetesimale. Aber es konnten dort einfach nicht genug zusammenstoßen, um große Protoplaneten zu bilden. Es reichte nur noch für Zwergplaneten.
Das übrige Material verband sich zu kleineren Objekten, den Kometen und Asteroiden. Diese Himmelskörper sind seit der Frühzeit des Sonnensystems nahezu unverändert geblieben. Sie umkreisen das Sonnensystem im Asteroidengürtel zwischen Mars- und Jupiterbahn, im Kuipergürtel in einer Scheibe jenseits der Neptunbahn oder in der Oortschen Wolke in einer Kugel um das Sonnensystem.

Die frühe Geschichte der Erde

Die Entstehung der Erde begann vor etwa 4,57 Milliarden Jahren aus der Staubscheibe um die Sonne. Es bildeten sich Planetesimale und daraus durch Zusammenstöße die Protoplaneten. Bei den Zusammenstößen der Protoplaneten bildeten sich auf diesen Magma-Ozeane, in denen das schwerere Eisen immer mehr nach innen sank, während die Silikatschmelzen außen blieben.

Die Entstehung des Mondes

Wikipedia Bild
Bildherkunft:
https://de.wikipedia.org/wiki/File:Big_Splash_Theia.gif
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Urheber siehe Wikimedia Commons
Vor 4527 ±10 Millionen Jahren, also 30-50 Millionen Jahre nach der Herausbildung des Sonnensystems, erfolgte ein Zusammenstoß der Proto-Erde mit einem marsgroßen Protoplaneten Theia, benannt nach der Mutter der griechischen Mondgöttin Selene. Dabei entstand der Mond. Die Proto-Erde hatte vor dem Zusammenstoß bereits etwa 90 % ihrer heutigen Masse.
Die Kollision erfolgte nicht frontal, sondern streifend, so dass große Materiemengen, bestehend aus Teilen des Mantels von Theia und des Erdmantels, in den Erdorbit geschleudert wurden, während sich die Eisenkerne vereinigten. Im Orbit bildete sich praktisch sofort (d. h. in weniger als 100 Jahren) der Proto-Mond, der rasch alle restlichen Trümmer einsammelte und sich nach knapp 10.000 Jahren zum Mond mit annähernd heutiger Masse verdichtet haben muss. Er umkreiste die damals - auch durch die Kollision - schnell rotierende Erde in einem Abstand von nur rund 60.000 km (siehe Roche-Grenze und Doppelplanet), was zu extremen Gezeitenkräften geführt haben muss. Die starke Gezeitenreibung führte zu einer zunächst sehr schnellen Abbremsung der Erdrotation mit Übertragung des Drehimpulses auf den Mond, dessen Bahnradius sich dadurch rasch vergrößerte. Diese Wechselwirkung mit Abbremsung der Erdrotation und Zunahme des Bahnradius des Mondes dauert, stark abgeschwächt, bis heute an. Auch die synchronisierte Eigendrehung des Mondes, die dazu führt, dass wir stets nur eine seiner Seiten sehen können, geht teilweise darauf zurück, hat aber auch noch andere Ursachen.

Diese Kollisionstheorie, ist eine von mehreren Theorien zur Entstehung des Mondes. Sie kann die Eigenschaften der Mondgesteine, insbesondere die geringe Dichte des Mondes von nur 3,3g/cm³ am besten erklären.

Das große Bombardement

Was in der ersten Milliarde Jahren auf der Erde geschah, ist weitgehend unbekannt. Unser Wissen aus dieser Zeit verdanken wir der Astronomie und der Raumfahrt. Aus der Datierung des Mondgesteins konnten mehrere Ereignisse erkannt werden.

Wikipedia Bild
Vorder- und Rückseite des Mondes; Höhenprofil.

Bildherkunft: https://de.wikipedia.org/wiki/File:MoonTopoGeoidUSGS.jpg aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber: Mark A. Wieczorek

Das Bild zeigt uns links die Vorderseite, rechts die Rückseite des Mondes. Die roten und gelben Farben kennzeichnen Hochländer (Terrae), die blauen und violetten Farben Tiefländer (auf der Vorderseite Maria genannt).
Man erkennt die vielen mittelgroßen Krater der Hochländer. Dagegen sind die Tiefebenen (Maria) der Vorderseite nur mit wenigen kleinen Kratern besetzt.

Die ältesten gefundenen Mondgesteine stammen von den Hochländern der Vorderseite. Sie wurden auf 4456 ±40 Millionen Jahre datiert, also auf etwa 70 Millionen Jahre nach der Entstehung des Mondes. Zu dieser Zeit wurde die erste Kruste gebildet - als Beginn der Kristallisation des ursprünglichen Magma-Ozeans. Die jüngsten Gesteine der Hochländer sind dagegen nur 3800 Millionen Jahre alt.

Die Gesteine der dunklen Maria wurden dagegen auf 3,1 bis 3,8 Milliarden Jahre datiert. Dort gibt es nur wenige Krater. Man schließt daraus, dass der Mond vor etwa 3,9 Milliarden Jahren ganz besonders viele Einschläge erlebte. Dieses Große Bombardement wurde in einem theoretischen Ansatz auf eine Verlagerung von Planetenbahnen der äußeren Planeten zurückgeführt. Der Planet Neptun soll dabei in den Kuipergürtel geraten sein und große Mengen von Asteroiden ins Innere des Sonnensystems geleitet haben.
Auch auf dem Mars findet man solche Kratergebiete. Sie entstanden vor 3,8 bis 3,9 Milliarden Jahren. Entsprechendes wird für die Krater des Merkur angenommen.

Vor 3,8 Milliarden Jahren muss das Große Bombardement stark abgenommen haben. Aber es irrten immer noch große Brocken durch das Sonnensystem. Diese schlugen bevorzugt auf die Vorderseite des Mondes ein. Die frühe Mondkruste wurde immer wieder durchschlagen, wodurch Lava aus dem Mantel in die entstehenden Krater nachfließen konnte. Es bildeten sich die Maria, die erst einige hundert Millionen Jahre später vollständig erkalteten. Dieses sogenannte letzte große Bombardement endete erst vor 3,8 bis 3,2 Milliarden Jahren. Danach ist auf dem Mond keine starke vulkanische Aktivität mehr nachweisbar. Man sieht heute den Mond fast so, wie er vor 3 Milliarden auch schon ausgesehen hat.
In den Mondkratern könnte man also viele wertvolle Metalle finden, die auf der Erde schon lange im Erdmantel versunken sind.

Die Hypothese vom Großen Bombardement wird derzeit noch diskutiert. Die Gegner der Hypothese bezweifeln die große Häufung der Einschläge vor 4,0-3,8 Milliarden Jahren. Dass es jedoch enorm viele Einschläge zwischen 4,4-3,8 Milliarden Jahren gab, ist offensichtlich ein großes Bombardement.
Dass das letzte große Bombardement vor etwa 3,2 Milliarden Jahren endete, wird kaum bezweifelt. Der Planet Jupiter sammelte von da an alle größeren Brocken um sich als Monde, als Trojaner, oder er zwang sie auf Bahnen im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter.

Die Urzeit der Erde

Was geschah nach der Entstehung des Mondes auf der Erde? Durch den Einschlag des Protoplaneten Theia wurde die ganze Erde flüssig. Die schweren Bestandteile, insbesondere das in beiden Planetenkernen reichlich vorhandene Eisen und Nickel, sanken nach unten. Sie bildeten den neuen Erdkern. Die Silikate mit ihrer weit geringeren Dichte lagerten sich über dem Kern, also im Erdmantel, ab.
Die oberste Silikatschicht kühlte rasch ab und bildete eine Gesteinskruste. Diese Kruste enthielt die leichtesten Silikate. Sie schwimmt also - auch heute noch - auf dem Erdmantel.
Die ältesten (in Westaustralien) gefundenen Gesteine sind 4,4 Milliarden Jahre alt. Es sind Einschlüsse von Zirkonkristallen. Sie erlebten das Große Bombardement. Dabei wurden sie in andere Gesteine eingebaut.
Aber alle Einschlagkrater aus der ganz frühen Zeit wurden durch die spätere Plattentektonik und die Klimaprozesse beseitigt.

Eine Lufthülle konnte sich in den ersten 100 Millionen Jahren auf der Erde wohl nicht bilden. Die Planetesimale enthielten zwar viel Wasser und Gase. Besonders die leichten Gase, aber auch viel Wasser, wurden jedoch in der T-Tauri-Phase der Sonne vom extrem heftigen Sonnenwind einfach weggeblasen.

Wir können also annehmen, dass das meiste unseres Wassers und auch unsere Lufthülle sich gerade um die Zeit des Großen Bombardements gebildet haben. Vor etwa 3,9 Milliarden Jahren müssen Kometen oder wasserreiche Asteroiden eingeschlagen sein. Das Wasser aus diesen Einschlägen ist zwar gleich verdampft. Aber die Schwerkraft der Erde konnte den Wasserdampf halten. Von nun an regnete es sehr viel auf der Erde.

Größere Mengen an Wasserstoff und Helium kamen damals auch auf die Erde und waren Bestandteil der Uratmosphäre. Wasserstoff und Helium sind jedoch zu leicht, um von der Schwerkraft der Erde dauerhaft festgehalten zu werden. Sie verschwanden im Lauf der Zeit zum größten Teil wieder im Weltall.
Die Atmosphäre enthielt damals, bedingt durch den oftmaligen Ausstoß bei Vulkanausbrüchen, besonders viel Wasserdampf und Kohlendioxid. Dazu kamen Anteile von Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Methan und Ammoniak. Nur Sauerstoff als Gas gab es kaum. Die mehratomigen Moleküle konnten viel Wärme speichern, was zu einem Treibhauseffekt führte - das obwohl die Sonne nur 75% ihrer heutigen Strahlungsleistung lieferte. Die mittleren Temperaturen lagen etwa so hoch wie heute.

Aus der Zeit vor 3,8 Milliarden Jahren sind erste Hinweise auf Unterwassersedimente gefunden worden. Man folgert, dass es damals oder auch schon früher Ozeane gegeben hat.

Und was geschah damals auf dem Mars? Auch dort schlugen vor 3,8-4 Milliarden Jahren viele Brocken ein. Man kann viele der Krater dort heute noch sehen. Auch Kometen oder Wasser-Asteroiden schlugen dort ein, welche jedoch bei weitem nicht so viel Wasser brachten wie auf der Erde. Die geringere Schwerkraft des Mars konnte das Wasser aber nicht festhalten. Bereits vor 3,5 Milliarden Jahren war alles Wasser wieder im Weltall verschwunden. Man findet Sedimentgesteine und Flusstäler aus der damaligen Zeit auf dem Mars. Es gab dort also fließendes Wasser, aber keine ausgedehnten Meere.
Auch eine dichtere Lufthülle als heute dürfte der Mars gehabt haben. Die geringere Schwerkraft konnte diese aber nicht dauerhaft festhalten.

Die Entstehung des Lebens

Auf einem Planeten mit Leben müssen über einige Milliarden Jahre weitgehend stabile Verhältnisse herrschen. Das ist selbst im kosmischen Maßstab nur schwer zu erreichen.
Damit überhaupt Leben bestehen kann, müssen einige sehr strenge Regeln eingehalten werden.


Unser Sonnensystem muss die Molekülwolke, in der es entstanden ist, schon bald verlassen haben. Das kann etwa durch Wechselwirkung mit einem anderen Stern passiert sein.
Die Sonne kreist schon seit mindestens drei Milliarden Jahren zwischen zwei Spiralarmen um das Zentrum der Milchstraße.


Schon innerhalb kürzester Zeit nach der Bildung stabiler Krustenbestandteile gab es Evolutionsprozesse - vorerst die Chemische Evolution ab 3,8 Milliarden Jahren. Damals waren Makromoleküle in der Lage, sich durch Anlagerung anderer Moleküle zu vergrößern und sich selbst zu reproduzieren.
Die ältesten bisher gefundenen Spuren von Leben sind Stoffe, die nur in Lebewesen entstanden sein können. Diese Chemofossilien sind sind mikroskopische Fäden in Gesteinen, die als Überreste von 3,5 Milliarden Jahre alten Cyanobakterien gelten könnten. 1 Milliarde Jahre nach der Entstehung der Erde gab es also schon viele verschiedene Arten einzelliger Lebewesen.
Die Menge der findbaren Fossilien und Gesteine aus dieser Zeit ist klein. Die Landmassen von damals sind verwittert oder vulkanisch verändert. Nur in den ältesten, seit ihrer Entstehung unveränderten Kratonen besteht die Chance, mittels Tiefenbohrungen in mehreren tausend Metern solche Funde zu machen. Solche Kratone sind zum Beispiel die Kola-Halbinsel, Simbabwe, der Kanadische Schild, Teile von China oder West-Australien.

Wie kann man sich das damalige Leben auf der Erde vorstellen? Heute würde man diese Lebewesen zu den Prokaryoten zählen, die wieder unterteilt sind in die Bakterien und die Archäen. Die Prokaryoten sind Einzeller ohne Zellkern - die DNA schwimmt im Cytoplasma. Die Größe liegt meist zwischen 1 und 5 µm. Man kann 1000 bis 1 Milliarde Lebewesen auf einen cm³ annehmen.
Die Anzahl der unterschiedlichen Arten dürfte mehrere Milliarden zählen. Es gibt darunter recht spezialisierte Wesen. Beispielsweise können die einen bequem 100°C aushalten und sie vermehren sich bei 80°C. Andere ernähren sich von Schwefelsäure. Wieder andere sterben, wenn sie mit Sauerstoff zusammenkommen.
Nach der Entdeckung der Biotope um die Schwarzen Raucher der Tiefsee wird deshalb viel darüber gesprochen, ob die ersten Lebewesen in der Umgebung schwarzer oder weißer Raucher entstanden sind.

Wir können annehmen, dass schon die damaligen Lebewesen sich in einem Biofilm angesiedelt haben. Ein geläufiges Beispiel für so einen Biofilm ist eine Schleimschicht auf Steinen im Wasser. In dem Schleim können ganz verschiedene Lebewesen nebeneinander leben. Eine solche Schleimschicht kann mit der Zeit durch eine weitere Schicht überwachsen werden. Sie wird dicker.
In diese Schleimschichten können kleinste Steinchen oder auch chemisch ausgefällter Kalk eingebaut werden. Auf diese Art entstanden die frühesten Riffe im Meer. Man nennt diese Steine Stromatolithen oder lebende Steine. Die ältesten entstanden vor 3,7 Milliarden Jahren. Sie wachsen etwa 0,3mm pro Jahr.

Vor etwa 2,7 Milliarden Jahren, also knapp 2 Milliarden Jahre nach der Entstehung der Erde, begann eine große Umwälzung auf dem Planeten. Die sich im Wasser massenhaft verbreitenden Vorläufer der heutigen Cyanobakterien veränderten vor etwa 3,2-2,8 Milliarden Jahren entscheidend die Lebensbedingungen auf der Erde. Sie nutzten das Sonnenlicht zur Photosynthese und setzten als Abfallprodukt Sauerstoff frei.

Vor 2,5 Milliarden Jahren entstand zudem eine neue Art von Einzellern, die Eukaryoten. Diese Lebewesen sind mit 10-30µ deutlich größer als die meisten Prokaryoten. Sie haben einen eigenen, durch Membranen abgetrennten Zellkern. In ihrem Innern gibt es zudem für bestimmte Aufgaben zuständige Bausteine, die Organellen. Nach der Endosymbiontentheorie sind schon von Vorläufern der Eukaryoten Bakterien aufgenommen worden, die nun als mitarbeitendes Lebewesen (Endosymbiont), also als Organellen, in der neuen Zelle arbeiten. So haben sich beispielsweise Cyanobakterien zu Organellen von Eukaryoten entwickelt, die nun innerhalb der Zelle des Eukaryoten für die Ernährung durch Photosynthese sorgen.

Das nun folgende Geschehen ist als die Große Sauerstoffkatastrophe bekannt. Sowohl die Cyanobakterien als auch die neuen Eukaryoten mit photosynthesefähigen Organellen erzeugten nun Sauerstoff. Zuerst wurde der Sauerstoff vom Ozean aufgenommen und viele organische Stoffe, Schwefelwasserstoff und gelöstes Eisen wurden oxidiert. Aus dem im Meer gelösten 2-wertigen Eisen (Fe2+) entstand 3-wertiges Eisen (Fe3+), das unlöslich ist, und als Hämatit Fe2O3 in Schichten zusammen mit Schichten kieseliger Sedimente (wie Hornstein und Eisensilikat) im Meer als Bändererz abgelagert wurde.
Als vor 2,5 Milliarden Jahren die Meere gesättigt mit Sauerstoff waren, wurde der Sauerstoff in die Atmosphäre abgegeben. Innerhalb von 900 Millionen Jahren stieg der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre auf über 1%, in weiteren 1 Milliarde Jahren dann auf etwa 12%.
Für die Mehrzahl der damaligen Lebewesen war Sauerstoff ein tödliches Gift. Aber die Änderungen in der Atmosphäre zog sich über mehrere Millionen Jahre hin. Es starben viele Arten von Lebewesen aus, die Sauerstoff nicht vertrugen. Aber es gab auch Mutationen, die mit der neuen Atmosphäre umgehen konnten. Speziell wurden manche Bakterien nun Symbionten in den neuen Eukaryoten.
Diese neuen Lebewesen konnten nun passiv im Meerwasser driften oder auch in Küstennähe auf dem Meeresboden oder als oberster Biofilm auf Stromatolithen leben.

Durch die nun verstärkt einsetzende Photosynthese verschwand langsam immer mehr Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Stattdessen wurde sie mit Sauerstoff angereichert. Der Sauerstoff zersetzte mithilfe der UV-Strahlung den größten Teil des Methanvorkommens zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Da Methan über ein erheblich größeres Treibhauspotenzial als CO2 verfügt, kam es vor 2,4 Milliarden Jahren zu einem Klimawandel - zum paläoproterozoischen Eiszeitalter, während dem die Erde vollkommen mit Eis bedeckt war. Es dauerte 300 Millionen Jahren und ist damit das längste Eiszeitalter der Erdgeschichte.
Dieses Schneeball-Erde-Ereignis ist aus Nordamerika, Skandinavien, Indien und Südafrika belegt. Allgemein wird angenommen, dass das Eiszeitklima dieser Zeit eng mit der Großen Sauerstoffkatastrophe verknüpft sei.
Erst starke vulkanische Ausbrüche mit Ausgasungen großer Mengen von Kohlendioxid könnten diese Eiszeit beendet haben.
In der Zeit vor 2,1-1,8 Milliarden Jahren hat sich die Sauerstoffmenge in der Atmosphäre wieder markant erhöht. Die ersten Eukaryoten haben sich zu Vielzellern weiter entwickelt. Es entstanden komplexere Lebensformen wie Algen und Tange.

Es folgt nun eine Zeit von etwa 1 Milliarde Jahren - die langweilige Milliarde, aus der fast nichts bekannt ist. Erst vor 780 Millionen Jahren gab es wieder Schneeball-Erde-Ereignisse. Bei einigen lag die ganze Erde unter einer Eisschicht.

Vor 780 Millionen Jahren gab es die Kaigas-Eiszeit. Sie dauerte 45 Millionen Jahr.
Hinweise auf diese Eiszeit fanden sich in eiszeitlichen Ablagerungen aus Namibia, Brasilien und China, jedoch nicht in zahlreichen anderen Fundstätten eiszeitlicher Ablagerungen der damaligen Zeit. Daher wird vermutet, dass die Kaigas-Eiszeit im Gegensatz zur Sturtischen und Marinoischen Eiszeit nicht global war.
Vor 717 Millionen Jahren kam die Sturtische Eiszeit, bei dem die ganze Erde unter einer Eisschicht lag. Sie dauerte 57 Millionen Jahr.
Sie hatte signifikante Auswirkungen auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Vor der Sturtischen Eiszeit begann die Differenzierung eukaryotischer Lebensformen. Mikro- und Makrofossilien beweisen die Existenz von Amoebozoen, Rhizarien, Rotalgen, Grünalgen und Chromalveolaten. Mit dem Beginn der Sturtischen Eiszeit ist ein zahlenmäßig drastischer Rückgang des Lebens auf der Erde zu verzeichnen. Aus der Zeit vom Beginn der Sturtischen Eiszeit bis zum Ende des Cryogeniums stammen nur vereinzelte Mikrofossilien. Die Zeit zwischen der Sturtischen und der nachfolgenden Marinoischen Eiszeit wird, basierend auf genetischen Untersuchungen, als Zeitpunkt des ersten Auftretens mehrzelliger Tiere genannt. Molekulare Spuren aus dieser Zeit deuten auf das Vorkommen erster Schwämme.
Vor 640 Millionen Jahren kam die Marinoische Eiszeit. Es gab wieder eine globale Vereisung. Sie dauerte nur 5 Millionen Jahre.
Erste molekulare Spuren vielzelliger Tiere (Metazoa) stammen aus der Zeit während der Marinoischen Eiszeit.
Vor 579 Millionen Jahren gab es die Gaskiers-Eiszeit. Sie dauerte 1 Millionen Jahr.
Die Gaskiers-Eiszeit war das letzte und zugleich das kürzeste von mindestens drei größeren Eiszeitaltern in der Ära des Neoproterozoikums. Aufgrund ihrer Kürze wird angenommen, dass sie, im Gegensatz zur Sturtischen Eiszeit und Marinoischen Eiszeit, nicht zu einer globalen Vereisung führte. Dennoch hatte auch die Gaskiers-Eiszeit eine große Bedeutung auf die Entwicklung des Lebens auf der Erde. Sie führte zum verbreiteten Aussterben der ersten vielzelligen tierischen Lebewesen, der Acritarchen. Nach dem Ende der Gaskiers-Eiszeit stieg der Sauerstoffspiegel der Meere signifikant an. Dieser Anstieg wird als Voraussetzung für das Auftreten erster komplexer Eukaryoten und der Entwicklung der Ediacara-Fauna angesehen.

Vor 541 Millionen Jahren folgte dann die Kambrische Explosion des Lebens. Man nennt diese Zeit auch den biologischen Urknall.

Plattentektonik

Wenn wir uns also mit der Entstehung der Erdteile und deren langfristigen Entwicklung befassen wollen, benötigen wie zuerst einen Einblick in die Plattentektonik.

Die Plattentektonik ist die Theorie vom Aufbau der Erdkruste und des Erdmantels. Sie beschreibt die Verschiebung der Kontinentalplatten und die dadurch entstehenden Auswirkungen.

Der innere Aufbau der Erde

Aufbau der Erde
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Schon um 600vuZ wussten viele Naturphilosophen, dass die Erde die Form einer Kugel hat. Die Griechen kannten schon um 300vuZ den Umfang der Erde abschätzen. Erst Eratosthenes konnte den Umfang mit 41750km angeben - etwa 4% zu hoch. Damit war auch der Durchmesser und das Volumen der Erde bekannt.
Als Henry Cavendish 1798 die Gravitationskonstante (6,6743E-11) gemessen hatte, konnte man anhand Keplers 3. Gesetz die Masse und damit auch die Dichte (5,5g/cm³) der Erde angeben. Gesteine mit einer derartig hohen Dichte gibt es aber nicht.

Emil Wiechert erkannte um 1896, dass das Erdinnere aus schwerem Material, z.B. Eisen bestehen muss, weil die Gesteine der Erde nur Dichten von 2-3g/cm³ haben. Anhand von Meteoriten, also von Steine aus dem All, die auf die Erde fielen, konnte er sich ja ein Bild machen, aus welcher Art von Materie die Erde entstanden sein muss.

Emil Wiechert erarbeitete nun ein Schalenmodell der Erde.
Offensichtlich sind die schwersten Bestandteile der Erde solche Materialien mit Dichten um 20g/cm³, also Iridium, Platin, Gold, Uran. Sie sind nach unten gesunken. Das in Meteoriten reichlich vorhandene Eisen und Nickel ist auch in der Erde reichlich vorhanden. Mit Dichten um 8g/cm³ lagerte sich über dem schwersten Material ab und bildeten mit diesem zusammen den Erdkern. Die Silikate mit ihrer weit geringeren Dichte von etwa 3,4g/cm³ lagerten sich über dem Kern, also im Erdmantel, ab.
Die oberste Silikatschicht bestand aus den leichtesten Silikaten mit einer Dichte von nur 2,7g/cm³. Sie kühlte rasch ab und bildete eine Gesteinskruste. Diese Kruste schwimmt also - auch heute noch - auf dem Erdmantel. Auf diese Weise lässt sich die insgesamt hohe Dichte (5,5g/cm³) der Erde erklären.
(Die angegebenen Dichtewerte gelten für Normaldruck. Im Erdinnern ist der Druck gigantisch hoch. Deshalb sind dort die Dichten höher.)

Wiechert hatte eigene Seismographen entwickelt und diese weltweit aufstellen lassen. Auf diese Weise konnte er anhand von Messungen der Geschwindigkeiten von Erdbebenwellen auch deren Beugungen und Spiegelungen an der Kern-Mantel-Grenze erfassen. Spätere Seismologen konnten die Tiefe feststellen. Man folgerte, dass der Erdmantel zähflüssig bis fest (plastisch) ist, während der äußere Erdkern aus flüssigem Eisen und Nickel besteht.
Erst 1936 konnte Inge Lehmann ermitteln, dass der innere Erdkern fest ist. Ursache ist nicht die höhere Temperatur, sondern der enorme Druck.

Die Erdkruste

Über dem zähflüssigem Erdmantel schwimmt die Erdkruste. 1910 fand Andrija Mohorovicic die Grenzfläche zwischen Erdkruste und Erdmantel. Bei weiteren Untersuchungen erkannte man, dass die Dichte der Kruste unter den Erdteilen nur 2,7g/cm³ beträgt. Sie ist unter Flachgebieten der Erdteile im Mittel 35km dick. Unter hohen Gebirgen kann sie bis 80km dick sein.
Die Kruste unter den Ozeanen hat dagegen eine Dichte von 3g/cm³. Sie ist auch nur 5-8km dick. Das folgende Bild zeigt uns das.

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Dicke der Erdkruste

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Schon im 16. Jahrhundert erkannten Naturforscher, dass die Küstenlinien von von Südamerika und Afrika auf beiden Seiten des atlantischen Ozeans wie Puzzlestücke zusammenpassen. Es sah so aus, als ob die Erdteile Nordamerika, Europa, Afrika und Südamerika früher einmal miteinander verbunden gewesen seien, danach auseinander gebrochen seien, und dass Nord- und Südamerika sich von Afrika und Europa getrennt hätten und auseinander gedriftet seien.
Alfred Wegener hat diesen Gedanken einer Kontinentaldrift übernommen und in einem Buch mit geologischen Belegen untermauert. Er wies auf die Gleichartigkeit bestimmter Gesteine und ihres Alters und auch auf gleiche geologische Strukturen auf den sich gegenüberliegenden Seiten des Atlantiks hin.
Weiterhin hat er Fossilien von Pflanzen und Tieren beschrieben, die nur in begrenzten Gebieten von Afrika und Brasilien gefunden wurden.
Außerdem müssen die riesigen Kohlevorkommen in der Antarktis in tropischen Gebieten entstanden sein. Dann fand er, dass die Sahara einmal von Gletschern bedeckt war, und dass Gletscherspuren in Australien zu finden sind.

Wegener nahm an, dass ein ehemaliger Urkontinent Pangaea auseinander brach und dessen Teile auseinanderdrifteten.
Die jungen Kettengebirge, wie die amerikanischen Kordilleren oder die Alpen, wären dann durch das Zusammenschieben der Gesteinsschichten an der Stirnseite der wandernden Erdteile entstanden. Das Auseinanderbrechen des Urkontinents schätzte er auf eine Zeit vor etwa 200 Millionen Jahren.

Riss
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Riss
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Wenn sich Erdteile auseinander bewegen, so muss auch der Boden aufreißen. Es entsteht ein Riss, aus dem von unten Magma nach oben steigt. Der Riss füllt sich bald mit Wasser. Wenn der Riss in einem Ozean liegt, so spricht man von einer Ozeanbodenspreizung (seafloor spreading). Es bildet sich ein Mittelozeanischer Rücken.
Gegenwärtig verbreitert sich der Atlantische Ozean im Durchschnitt um rund 2,5cm im Jahr und seine älteste ozeanische Kruste, nahe der Kontinentalränder, ist etwa 130 Millionen Jahre alt.
Das aufsteigende Magma hat die niedrigste Dichte im Erdmantel, ist aber immer noch 3,3g/cm³. Es erstarrt zu Basalt.
Beim Abkühlen der Lava richten sich darin enthaltene magnetische Mineralpartikel (vor allem aus Magnetit) nach dem zu diesem Zeitpunkt herrschenden Magnetfeld der Erde aus. Dadurch wird das Gestein schwach aber dauerhaft magnetisiert. Das Erdmagnetfeld ist in geologischen Zeiträumen jedoch nicht stabil und ändert in unregelmäßigen Abständen seine Polarität. Im Zusammenspiel mit der Ozeanbodenspreizung ergeben sich aus den Umpolungen des Erdmagnetfeldes symmetrische Muster aus Streifen gleichartig magnetisierter ozeanischer Kruste, die parallel zu den Spreizungsachsen verlaufen.
Durch radiometrische Datierungen der ozeanischen Krustengesteine, kann jedem dieser Streifen ein absolutes (numerisches) Alter zugewiesen werden. Je weiter ein bestimmter Gesteinsstreifen von der Spreizungsachse entfernt ist, desto älter ist er und gleichartig magnetisierte Gesteinsstreifen, die gleich weit von der Spreizungsachse entfernt sind, sind nachweisbar gleich alt. Diese Erkenntnisse wurden systematisch ab Anfang der 1960er Jahre mit Hilfe von Forschungsschiffen gewonnen, was der Hypothese der Kontinentalverschiebung zum Durchbruch verhalf.

Wenn sich Erdteile auseinander bewegen, müssen sie sich auf der anderen Seite der Erde wieder aufeinander zu bewegen. In diesem Fall wird immer die Ozeanische Kruste unter die Kontinentale Kruste geschoben, weil die Ozeanische Kruste eben schwerer ist als die Kontinentale Kruste. Man sagt, die Ozeanische Platte wird unter die Kontinentale Platte subduziert. An diesen Stellen gibt es dann vermehrt Vulkanausbrüche und Gebirgsbildungen Siehe unten.

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Ozeanspreizung und Abtauchen des Ozeanbodens unter die Kontinentale Kruste

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Wenn Erdteile sich direkt aufeinander zubewegen - ohne dass ein Meer dazwischen liegt - so gibt es keine Subduktion. Die Krusten bewegen sich aufeinander zu, falten sich ineinander und bilden ein hohes Gebirge. Beispiele dafür sind der Himalaya und die Alpen.

Als Ursache für das Driften der Kontinente sieht man heute aufsteigendes Magma aus dem Erdkern an. Das Magma wird erwärmt und steigt durch Konvektion im Erdmantel nach oben.

Die Entstehung der Erdteile

Geologisch umfasst ein Erdteil oder Kontinent auch das ihm zugehörige Schelfgebiet, also den Festlandssockel im Flachmeer. Die kontinentale Erdkruste ist deutlich leichter als das Material des Erdmantels. Durch den Auftrieb ragt der Erdteil etwa 5km aus dem Meeresboden heraus. Das reichlich vorhandene Wasser füllt den Meeresboden und umspült auch die tieferliegenden Teile des Erdteils, etwa das Kontinentalschelf.

So stabil uns die heutige Verteilung der Landmassen auf der Erde auch erscheinen mag, so stellt sie erdgeschichtlich nur eine Momentaufnahme dar. Die Erdteile sind aufgrund der Plattentektonik ständig in Bewegung. Sie haben sich in der Geschichte unseres Planeten schon mehrfach zu einer einzigen großen Landmasse (einem Superkontinent wie beispielsweise Pangaea) vereinigt. Danach haben sie sich wieder in kleinere Erdteile getrennt (Kontinentaldrift).

Wenn wir nun fragen, wie die ersten Erdteile entstanden sein könnten, so müssen wir nach großen Gebieten mit den ältesten Gesteinen suchen. Solche Gebiete mit Gesteinen von etwa 4 Milliarden Jahren Alter hat man gefunden. Sie sind später oft wieder in anderen Gesteinen eingeschmolzen worden.
Es bleiben uns eigentlich nur Annahmen, wie diese Gesteine ausgesehen haben. Damals war die Erde insgesamt heißer. Der Erdmantel transportierte mehr Wärme nach oben. Die Konvektion war stärker. Die Kruste war dünner und wurde weit mehr bewegt, zerbrochen und wieder verbunden. Folglich konnte sich eine größere zusammenhängende Landmasse nur nach längerer Zeit bilden. Aber die Dichte der damaligen Kruste war etwas niedriger und anders chemisch zusammengesetzt als heute. Sie war temperaturbeständiger.
Die ältesten größeren zusammengehörigen Gebiete der Erde sind 3,3 bis 3 Milliarden Jahre alt. Man nennt sie Kratone. Kratone umfassen Schilde (im folgenden Bild orange) und Tafeln (im folgenden Bild rosa).

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Geologische Regionen

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Das Bild oben zeigt
In den Schilden tritt weitgehend das Grundgebirge zutage. Unter dieser Kruste von etwa 35 bis 40 Kilometer befindet sich bei den Kratonen der Mantelkiel, der eine Verlängerung der Kruste in den Erdmantel darstellt. Er ist so dick, dass er 250 bis 300 Kilometer tief in den Erdmantel reicht. Sein Gestein hat eine niedrige Dichte als übliche Krustengesteine.
Aufgrund der chemischen Zusammensetzung hat das Gestein einen besonders hohen Schmelzpunkt. Wahrscheinlich entstanden diese Gesteine, als vor 3 bis 4 Milliarden Jahren ein Material empor stieg, welches damals deutlich heißer war als heute und daher eine andere, an Magnesium reichere Mineralogie besaß.

Die Kontinentale Kruste über dem Mantelkiel der Kratone hat auch eine niedrige Dichte und ist deshalb ständig isostatisch angehoben. Diese Kruste besteht oft aus stark tektonisch deformierten, kristallinen Gesteinen. Sämtliche größeren darüber liegenden (zwangsläufig jüngerer) Ablagerungsgesteine wurden in einem solchen Gebiet meistens wieder abgetragen, oder es kam aufgrund einer dauernden Hochlage nie zu bedeutenderen Ablagerungen. Wenn dennoch ein Deckgebirge aus späteren Ablagerungen vorhanden ist (Tafeln), so zeigen diese Ablagerungen keine Aufschmelzungen und keine Faltungen. Die Kratone sind also ein größeres, über mehrere Milliarden Jahre tektonisch stabiles Gebiet.

Ein Erdteil besteht nun aus Kratonen, die an ihren Rändern jüngere Krustenteile angelagert haben. Die Ränder um die Kratone sind im Laufe der Erdgeschichte durch Gebirgsbildungen (im Bild türkis) angegliedert wurden. Zusätzlich strömt immer mehr magmatischen Material aus dem Erdmantel in die Mittelozeanischen Rücken empor. Dieses wird Millionen Jahre später in Subduktionszonen an die Erdteile angelagert (im Bild gelb).
Die Kratone waren die Kerne der frühen Erdteile. Im Laufe der Zeit wurden die Erdteile durch Anlagerungen dann immer größer.

Entstehung und Zerfall der Superkontinente

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Bewegung der Erdteile.

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Das Bild zeigt, wie schnell und wohin sich heute die Erdteile bewegen. Die Geschwindigkeiten wurden mit GPS ermittelt. Man erkennt, dass sich Australien recht schnell in Richtung NNO bewegt - es sind etwa 7cm jedes Jahr. In etwa 200 Millionen Jahren werden Afrika, Europa, Asien, Australien und Nordamerika einen Superkontinent bilden werden. Der nördliche Pazifische Ozean wird verschwinden.

Pangäa

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Bildherkunft:
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Schon Alfred Wegener hat aus weit weniger Daten geschlossen, dass es vor 200 Millionen einen Superkontinent Pangäa gegeben haben muss. Siehe oben. Pangäa ist dann in späteren Jahren zerfallen und hat unsere gegenwärtige Aufteilung der Erdteile hinterlassen.

Wie Pangäa einmal ausgesehen hat, kann man aus dem Bild rechts ersehen.
Die Umrisse der heutigen Kontinente sind als graue Linien angedeutet. Die großen gelben Flecken sind große Wüsten im Landesinneren.
Eine große Landmasse verläuft von Nordpol zum Südpol und schließt beide Pole mit ein. Wie man sieht, gab es aber auch sehr große, lang gestreckte Inseln außerhalb - beispielsweise die Streifen rechts im Bild, die später zu Nord- und Süd-China wurden.
Unterhalb der Beschriftung "Europe" erkennt man ein S-förmiges Binnenmeer, das Germanische Becken. Es ist das Land, wo einmal Deutschland liegen wird, mal über Wasser, mal bis 400 Meter unter Wasser. Der Kontinent Siberia war damals gerade auf Europa gestoßen und hat zur Auffaltung des Ural geführt.
Zwischen Afrika und Nordamerika gab es ein riesiges Gebirge, vergleichbar mit dem heutigen Himalaya. Übrig geblieben sind davon die nordamerikanischen Appalachen.
Dann gab es einen Fluss, der in Afrika entsprang, durch Südamerika floss und in den Panthalassa Ozean mündete. Heute fließt in seinem Ufern der Amazonas - nur in andere Richtung. Die Anden gab es noch nicht.


Hier ist noch Baustelle.



Bevor sich der Tethys Ozean schließen konnte, brach der Atlantik auf. Das Germanischen Becken brach zum Panthalassa Ozean nach Norden durch. Der Grabenbruch verlängerte sich in Richtung Südamerika. Die Bruchstücke von Gondwana, nämlich Antarktika und Australien strebten weg vom heutigen Afrika. Indien wanderte in hohem Tempo Richtung Siberia. Es kam vor 66 Millionen Jahren dort an und führte zur Auffaltung des Himalaya.

Die vor 252 Millionen Jahren beginnenden extremen Vulkanausbrüche waren wohl die Ursache, die zum Auseinanderbrechen von Pangäa führten. Ein Ausbruch in Siberia überflutete ein Gebiet von der Größe der USA mit Lava. Siehe violette Fläche im Bild oben. Die Ausbrüche dort dauerten 500.000 Jahre. Die Folge war das größte Massenaussterben der Erde. Durch die Vulkanausbrüche wurden in Siberia die dort extrem ausgedehnten und dicken Kohlelagerstätten entzündet. Kohlendioxid wurde in großen Mengen frei. Die mittlere Temperatur der Luft und des Meeres stieg über 2,5 Grad. Dadurch konnte Methan vom Boden der Meere aufsteigen, das in Form von Methanhydrat dort gebunden war. Methan ist ein viel stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid. Die mittlere Temperatur des Planeten stieg nun um weitere 2,5 Grad. Als Folge konnte das Meer keinen Sauerstoff mehr aufnehmen und giftiger Schwefelwasserstoff reicherte sich dort an. 95% aller Arten starben im Meer aus. An Land starben 75% der Arten aus. Die Menschen sind gerade dabei, den Vorgang zu wiederholen.

Jetzt haben wir die Frage Wie hat sich Pangäa gebildet? Gebirgsbildungen zeigen nämlich, dass Kontinente aneinander gestoßen sein müssen, bevor sich Pangäa gebildet hat.
Diese Kontinente haben in ihrem Aussehen kaum mehr etwas mit unseren heutigen Kontinenten zu tun. Über die Drift dieser Kontinente können wir nur etwas erfahren durch die dortigen Gesteine und durch Gebirgsbildungen. Aus diesem Grund sind unsere Kenntnisse über diese Kontinente umso unbestimmter, je älter sie sind.

Der letzte Kontinent, der sich mit Pangäa verbunden hatte, war Siberia, wobei der Ural aufgefaltet wurde. Deutlich früher stieß ein Nordkontinent Laurentia mit dem schon lange vorher entstandenen Südkontinent Gondwana zusammen, wobei die Appalachen entstanden.



Hier ist noch Baustelle.



Gondwana

Noch offen.

Rodinia

Noch offen.
Ur: 2,7-2,5 Milliarden Jahre
Columbia: 1,9-1,7 Milliarden Jahre
Rodinia: 1,2-1 Milliarden Jahre
Pangäa: 450-250 Millionen Jahre

Ergänzende Themen

Wie misst man Entfernungen im Weltall?

Geplante Themen: Parallaxen, Cepheiden, Novae, Bessel, Empfindlichkeit von Teleskop, Winkelauflösung, Historie zu Entfernungen zum Mond, zur Sonne

Was sagt uns das Licht aus dem Weltall?

Geplante Themen: Schwarzer Strahler, Absorption, Fraunhoferlinien, Pickering

Wie verläuft das Leben eines Sterns?

Geplante Themen: Von der Entstehung bis zum Tod, Supernova, Hertzsprung-Russell


Literatur

Wikipedia, auch mit Übernahme von Bildern und Textbausteinen
aus Artikeln zur Geologie und Astronomie

Internetauftritt der ESO.

Sendungen alpha-Centauri im Bayrischen Rundfunk.

Grotzinger, Jordan: Allgemeine Geologie. Heidelberg 2017.

Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik I-IV. Heidelberg 1994-1998.


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