System Erde (31) - Einführung in die Historische Geologie der Erde

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1 System Erde (31) - Einführung in die Historische Geologie der Erde

2 Die historische Geologie ist ein Teilgebiet der Geologie und erforscht die Geschichte des Planeten Erde seit deren Entstehung bis zur Gegenwart. Als Informationsquelle dienen dem historischen Geologen Gesteine, ihre Schichtungen und die in ihnen eingeschlossenen Fossilien. Die zeitliche Gliederung der Erdgeschichte in einzelne Abschnitte erfolgt durch geologische Stratigraphie und durch Geochronologie. Besonderheit der Erde: Die Erdgeschichte ist seit über 3 Milliarden Jahren durch die Präsenz von Leben gekennzeichnet. Dessen Ausbreitung und Entwicklung hat das Bild der Erde entscheidend geprägt, so dass in der historischen Geologie der Entwicklung und der Veränderung der Lebewesen, die in den einzelnen Epochen der Erdgeschichte gelebt haben, eine besondere Bedeutung zukommt. Reste von Lebewesen Fossilien sind äußerst wichtig für die Datierung klastischer geologischer Schichten und bestimmen eine eigenen geowissenschaftliche Fachrichtung die Stratigraphie

3 Die Äonen der Erdgeschichte Ein Äon ist in der Geologie die Oberste Gliederungsebene der Erdgeschichte. HADAIKUM Ma bis Ma (bis Mitte Februar) ARCHAIKUM Ma bis Ma (bis Mitte Juni) PROTEROZOIKUM Ma bis 542 Ma (bis Anfang Oktober) PHANEROZOIKUM 542 Ma bis heute (Mensch 4 min vor Mitt.) Leben entstand irgendwann zu Beginn des Archaikums Mehrzelliges Leben gibt es seit dem Ende der letzten neoproterozoischen Totalvereisung der Erde (ca. 650 Ma) Die ersten Säugetiere tauchten im Obertrias (210 Ma) auf

4 Das Hadaikum Die Entstehung des Sonnensystems

5 Das Hadaikum kennzeichnet das Äon, welches mit der Bildung der Sonne und der Planeten aus einer interstellaren Gas- und Staubwolke beginnt und mit der Ausbildung einer festen Kruste auf der ehemals glutflüssigen Erde endet. Entstehung des Planetensystems: vor ca. 4.6 Milliarden Jahren Ausbildung der Erdkruste und Ausbildung der stofflichen Differenzierung in ihrem Innern endete vor ca. 3.8 Milliarden Jahren, nach neueren Untersuchungen vielleicht sogar schon vor 4 Milliarden Jahren. 1. Fragestellung: Wie entstand das Sonnensystem? allgemein: Wie und wo entstehen massearme Sterne wie unsere Sonne und wie hat man sich diesen Vorgang vorzustellen? also erst einmal einen Abstecher in die Kosmogonie der Himmelskörper

6 Ein paar historische Anmerkungen Frühe wissenschaftliche Theorien zur Entstehung des Planetensystems: Rene Descartes ( ) Wirbeltheorie (1630) Immanuel Kant ( ) Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels (1755) P. S. de Laplace ( ) Exposition du Syste me du Monde (1808) Kant Laplace schen Nebularhypothese Spätere Erweiterungen u.a. durch C.F. Weizsäcker, Safranov-Schmidt und Fred Hoyle. Durchbruch Anfang der 1990er Jahre: Theorie der zirkumstellaren Hüllen

7 Kosmogonie des Sonnensystems Über die prinzipiellen Vorgänge, die zur Sternentstehung und u. U. zur Entstehung von planetaren Objekten führen, ist man sich unter den Wissenschaftlern weitgehend einig. Viele Detailprobleme harren aber noch der Lösung wobei die mittlerweile inflationär ansteigenden Planetenentdeckungen um andere Sterne eher zur Verwirrung als zur Konsolidierung planetenkosmogonischer Denkmodelle beitragen Ausgangspunkt ist folgendes Paradigma: Die Planetenentstehung ist ein Prozess, der mit der Sternentstehung einhergeht.

8 Prinzipielle Probleme bei der Entwicklung einer Planetenkosmogonie: Da genügend komplexe Systeme (wie es z. B. Planeten sind) im Laufe ihrer Entwicklung ihre Vergangenheit quasi vergessen (d.h. es werden immer weniger Informationen aus einem früheren Zustand in den nächsten Zustand hinübergerettet), ist eine Rückverfolgung im Sinne einer Kausalkette praktisch unmöglich: d. h. die Erde enthält in ihrem gegenwärtigen Zustand so gut wie keine verwertbare Informationen mehr, die kausal aus der Zeit ihrer Bildung herstammen. alle erdähnlichen Planeten waren in ihrer Frühgeschichte vollständig aufgeschmolzen, wobei die mineralogische Struktur des Ausgangsmaterials (Planetesimals) vollständig zerstört wurde aber es gibt noch übriggebliebene Bruchstücke des planetaren Ausgangsmaterials in Form spezieller Meteorite, die nicht oder kaum thermisch beeinflußt sind: Meteorite der Klasse der Chondrite

9 Methodik: deduktiv Plausible Anfangsbedingungen postulieren (z. B. Aufbau und Struktur interstellarer Gas- und Staubwolken) Untersuchung, was sich aus diesen Anfangsbedingungen ergibt Ableitung einer mit den Naturgesetzen in Übereinstimmung stehenden Ereignisabfolge unter Ausnutzung aller verfügbaren Informationsquellen induktiv Ausgangspunkt ist der heutige (einmalige) Zustand der Erde, der Sonne und des gesamten Sonnensystems In dem man von diesem Zustand Schritt für Schritt in die Vergangenheit zurückgeht ( Aktualismus ), versucht man die Entwicklungsgeschichte zu rekonstruieren. Nur eine Kombination beider Methoden verspricht Erfolg PROBLEM: Aus einem faktischen Endzustand einen Anfangszustand rekonstruieren

10 Ausgangspunkt: Paradigma, das Sterne und Planeten gleichzeitig entstehen Dieses Paradigma wird durch folgende Beobachtungen gestützt: Kühle Molekülwolken sind im Rahmen des kosmischen Materialkreislaufs Ausgangspunkte der Sternentstehung Beim Gravitationskollaps entstehen Protosterne, die von einer dichten Gas- und Staubhülle umgeben sind. Diese zirkumstellaren Staubscheiben können in Sternentstehungsgebieten (z.b. Orion-Komplex) auch direkt beobachtet werden. In primitiven meteoritischen Material haben Proben aus dem solaren Urnebel bis heute überdauert. Aus ihnen lassen sich durch Laboruntersuchungen die Entstehungsbedingungen rekonstruieren. Bei einer Anzahl von Sternen konnten mittlerweile Planeten nachgewiesen werden, was darauf hindeutet, dass planetare Körper gewöhnliche Nebenprodukte der Sternentstehung sind

11 Dazu gibt es noch eine Anzahl von Fakten, die das Sonnensystem individuell auszeichnen und die im Rahmen einer auf das Sonnensystem zugeschnittenen Kosmogonie zu erklären sind: Die Sonne enthält das 750 fache der Masse des Sonnensystems abzüglich der Sonnenmasse (ca. 2 10^30 kg). Das sind 99.9% der Gesamtmasse Die Planeten tragen zusammen mehr als das 200-fache des Eigendrehimpulses der Sonne Alle Himmelskörper mit Ausnahme der Kometen haben näherungsweise coplanare Bahnen, die zumeist eine geringe Exzentrizität aufweisen und die gleiche Drehrichtung haben wie die Drehrichtung der Sonnenrotation (prograde Rotation) Die meisten Planeten besitzen eine Rotationsachse, die annähernd senkrecht auf der Bahnebene steht Es gibt eine klare Trennung zwischen erdähnlichen und jupiterähnlichen Planeten sowie größeren Kuiper-Objekten

12 Die terrestrischen (inneren) Planeten sind an volatilen Elementen verarmt, während die äußeren (Gas-) Planeten eine Elementezusammensetzung aufweisen, die in etwa dem der Sonne entspricht. Es existieren verschiedene Typen undifferenzierter Meteorite aus der Zeit der Planetenentstehung. Ihr mineralogischer Aufbau, ihre Struktur und die daraus ableitbare thermische Geschichte sind zu reproduzieren. Die ältesten, im solaren Nebel gebildeten Minerale, sind ca Milliarden Jahre alt Auf der Erde gibt es Menschen mit Goldzähnen, die in Kernkraftwerken arbeiten ;-) Entwicklung einer Theorie, welche die Entstehung des (individuellen) Sonnensystems gemäß dem genannten Paradigmas beschreibt

13 Um zu verstehen, wie Planeten entstehen, muß man verstehen, wie Sterne entstehen Ist die Sonne ein typischer Stern der Milchstraße? Die Sonne ist kein typischer Stern der Milchstraße. Nach Hipparcos-Messungen haben 95% aller Sterne im Milchstraßensystem eine geringere Masse als die Sonne. Am häufigsten sind kühle Zwergsterne vom Spektraltyp M. Sie besitzen im Durchschnitt eine Masse von ca. 0.1 Sonnenmassen. Wir müssen uns für die Entstehung massearmer Sterne interessieren Wo in der Milchstraße und aus was entstehen Sterne? Wie passiert das und wie lange dauert dieser Vorgang?

14 1. Das Baumaterial Wasserstoff 76% Urknall (primordial) Helium 22% (+ etwas Deuterium und etwas Lithium) Restliche 2% Metalle werden im Laufe der Sternentwicklung erzeugt Bis Fe (Eisen) Elemente entstehen durch Kernfusion im Sterninneren Elemente schwerer als Eisen (Blei, Gold, Uran etc.) Supernovaexplosionen C, Si kondensieren in den kühlen Sternatmosphären der Riesensterne aus und werden durch intensive Sternwinde in den interstellaren Raum verfrachtet (z.b. R CrB-Sterne, Wolf-Rayet-Sterne, Mira) N, O entstehen in etwas massiveren Sternen als die Sonne und werden während explosiver Stadien der Sternentwicklung freigesetzt (z.b. bei der Bildung planetarischer Nebel)

15 2. Aufbereitung und Mischung des Baumaterials Anreicherung der Metalle in der interstellaren Materie INTERSTELLARE MATERIE ISM überwiegend Gaskomponente Staubkomponente (ca. 1% in Dunkelwolken) Der kosmische Materiekreislauf

16 3. Warum Molekülwolken? Molekülwolken sind eine spezielle Form der interstellaren Materie - geringe Temperatur (< 50 K) - Wasserstoff liegt überwiegend molekular vor, deshalb sehr schwer nachweisbar - neben Wasserstoff bevölkern derartige Wolken eine Vielzahl weiterer Moleküle, die relativ leicht nachweisbar sind (z.b. CO, Äthanol, Wasser, Ameisensäure, Formaldehyd entstehen durch katalytische Reaktionen auf den Oberflächen der eingelagerten Staubpartikel) - in das Wolkengas sind mikrometergroße Staubpartikel eingebettet, die für die Kühlung der Wolken auf ca. 10 bis 20 K verantwortlich sind Indizien für Molekülwolken - Präsenz von interstellaren Staub (Absorption, Extinktion, IR-Strahlung) - sehr intensive CO-Emissionen im Mikrowellenbereich - weitere Molekülemissionen bis hin zu Maser-Effekten Da der Staub die UV-Strahlung benachbarter Sterne sehr gut absorbiert, erfolgt keine Ionisation des Wasserstoffs

17 CO-Kühlung Konzentration: Anregungsenergie Wasserstoffmolekül: Anregungsenergie Kohlenmonoxid: E/k = T ~ 185 K ~ 30 K Szenario: Neutrale Wasserstoffatome verlieren durch inelastische Stöße ihre kinetische Energie an die CO-Moleküle Emission im Mikrowellenbereich Abgebremste neutrale Wasserstoffatome vereinigen sich zu Wasserstoffmolekülen Neutraler Wasserstoff wird in den kühlen Bereichen einer interstellaren Wolke durch Wasserstoffmoleküle ersetzt