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Vom Urknall zum Planeten Erde

Aus Staub geboren - die Entstehung von Sonne und Erde

Aus Sternenstaub entstand vor rund 5 Milliarden Jahren unser Sonnensystem: Nachdem die Sonne, heute unsere wichtigste Energiequelle, gezündet war, verklebte sie mit ihrer Hitze den übriggebliebenen Staub um sie herum, so dass immer größere Gesteinsbrocken und schließlich die Vorläufer der Gesteinsplaneten entstanden. Aus zweien dieser Planetesimale entstanden nach einer Kollision Erde und Mond.

Künstlerische Darstellung der Planetenentstehung

Künstlerische Vorstellung von der Planetenentstehung. Zu sehen ist die Staub- und Gasscheibe, die bereits Ringe formt. Es hat sich bereits ein Gasplanet (links im Bild) gebildet; rechts der Mitte ist ein Asteroideneinschlag in einen Gesteinsplaneten abgebildet - diese Vorgänge sind im folgenden Text erläutert. Abbildung: NASA/FUSE/Lynette Cook.

Unser Sonnensystem entstand vor etwa fünf Milliarden Jahren (woher man dieses weiß, steht >> hier). Die Sonne ist ein mittelgroßer Stern, der etwa 10 Milliarden Jahre leuchten sollte; im Inneren ist sie etwa 15 Millionen Grad heiß, an der Oberfläche noch 6.000 Grad. Im Laufe der Zeit nimmt ihre Leuchtkraft zu, da sie durch den verbrauchten Wasserstoff kleiner wird, was die Temperatur erhöht und die Kernfusion anheizt. (Die steigende Leuchtkraft hatte wiederum Einfluss auf das Erdklima, mehr >> hier.)

Die Gas- und Staubwolke, die zu ihrer Entstehung führte, ging aus einer Supernova hervor: Sie bestand zu über 98 Prozent aus Wasserstoff und Helium; der kleine Rest bestand aus Eis und Staub, die reich an organischen Molekülen und winzigen Mineralienkörnern waren. Unsere Vorstellung von der Entstehung des Sonnensystems geht in den Grundzügen auf den schwedischen Philosophen Emanuel Swedenborg, auf Immanuel Kant und den französischen Mathematiker Pierre-Simon de Laplace zurück - Kant war in Königsberg nicht nur Privatdozent für Moralphilosophie, sondern auch für Mathematik, Physik und Geographie, also ein echtes Universalgenie; de Laplace erfand unter anderem die Einheiten Meter und Kilogramm. Sie entwickelten unabhängig voneinander - Kant wohl auf Grundlage von Ideen Swedenborgs - eine Theorie, die bis heute Bestand hat. Allerdings konnte sie erst 1984 durch die Beobachtung des im Jahr zuvor von dem Infrarotsatelliten IRAS entdeckten Sterns Beta Pictoris im Sternbild Maler (das im Südhimmel zu finden ist)bestätigt werden: Um diesen Stern gibt es eine Staub- und Gasscheibe, die zu der Theorie dazugehört. 

Demnach haben vermutlich Schockwellen einer weiteren Supernova in "unserer" Gas- und Staubwolke Materie zusammengeballtn und damit die Sonnenzündung in Gang gebracht. Bei der Entstehung unseres Sonnensystems wurde der größte Teil der Materie – über 99 Prozent – in die Mitte gezogen, wo sich die Sonne bilden sollte. Der kleine Rest bildete durch die immer schnellere Drehung des Sonnensystems eine abgeflachte Scheibe um dieses Zentrum, aus der sich später Ringe formten (siehe Abbildung oben; eine solche Staub- und Gasscheibe entsteht im Universum immer, wenn rotierende Objekte unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenfallen - ihre Entstehung führt dazu, dass das rotierende Objekt den Drehimpuls los wird, der es ansonsten ähnlich einem Schlittschuhläufer, der die Arme anzieht, immer schneller rotieren lassen würde). Mit der Sonnenzündung, dem Beginn der Fusionsreaktionen, trieb die Hitzestrahlung die leichten Gase nach außen, während die schwereren Stäube näher an der Sonne blieben: Daher finden wir heute nahe der Sonne die Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars, während die weiter entfernten Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun große Gasplaneten sind. (Pluto gilt den meisten Astronomen nicht als richtiger Planet, sondern als ein erst später eingefangener Asteroid.) Die ursprüngliche Gas- und Staubwolke enthielt viel mehr Gase als Staub; daher sind die Gasplaneten viel größer als die Gesteinsplaneten – Jupiter ist etwa 300 Mal so schwer wie die Erde. Durch die Schwerkraft ihrer großen Massen konnten diese Planeten dann auch die häufigsten Gase im Weltall, Wasserstoff und Helium, festhalten. Die Gasplaneten haben alle ein aus Staub und Eis bestehendes Ringsystem, das bei Saturn am besten sichtbar ist – seine Entstehung ist, wie bei der abgeflachten Scheibe zu Beginn unseres Sonnensystems. durch das Zusammenspiel von Schwerkraft der Planeten und Fliehkraft zu erklären.

Thema Energie (Teil 1): Die Sonne

In der Sonne werden jede Sekunde über 564 Millionen Tonnen Wasserstoff fusioniert. Die wichtigste Reaktion, die etwa 80 Prozent der Energieerzeugung ausmacht, ist dabei die sogenannte Proton-Proton-Reaktion (>> wikipedia): In einem ersten Schritt fusionieren zwei Protonen (Wasserstoffkerne) miteinander; in einem zweiten Schritt der dabei entstehende Deuteriumkern mit einem weiteren Proton, dabei entsteht das leichte Heliumisotop He-3; und schließlich fusionieren zwei He-3-Kerne zu einem Heliumkern (He-4), wobei zwei Protonen freiwerden. Die Fusionen finden im Kern der Sonne bei einer Temperatur von 15,7 Millionen Grad statt; dabei gehen jede Sekunde 4,4 Millionen Tonnen Masse verloren, die in Energie umgewandelt werden. Die Energie muss zunächst eine Strahlungszone durchqueren, die so dicht ist, dass die Lichtteilchen immer wieder mit anderen zusammenstoßen und im Schnitt zehntausende von Jahren brauchen, bis sie diese durchquert haben. Dann treffen sie auf eine Konvektionszone, wo sie durch Strömungen des Plasmas (Gas, das aufgrund der Temperaturen von immer noch 2 Millionen Grad seine Elektronen verloren hat) an die Oberfläche transportiert werden. An der Oberfläche ist die Sonne etwa 5.500 Grad heiß, die Wellenlänge der abgegebenen Strahlung hat daher ihr Maximum bei etwa 500 Nanometern - 40 Prozent der Sonnenstrahlung sind sichtbares Licht; 8 Prozent kurzwelligere UV-Strahlung und 52 Prozent langwelligere Infrarot- (Wärme-)Strahlung (>> mehr zu den Strahlungsarten).

Der Aufbau der Sonne

Die Sonne, unser wichtigster Energielieferant.
Original der Abbildung: NASA, eigene Beschriftung

Da das Verhältnis von Energie und Masse durch Einsteins Formel E = mc² beschreiben wird, und sowohl die umgewandelte Masse m als auch c (die Lichtgeschwindigkeit) sehr hohe Werte sind, entsteht dabei ein Energiefluss von 63,2 Millionen Watt pro Quadratmeter Sonnenoberfläche, und da die Sonne einen Durchmesser von 1,4 Millionen Kilometer hat (unsere Erde würde ungefähr eine Millionen Mal in die Sonne passen), beträgt der gesamte Energiefluss unvorstellbare 3,85 x 1026 Watt (diese Abkürzung bedeutet, dass den 3,85 26 Nullen angehängt werden müssen). Dieser wird gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt, die Erde bekommt dank ihrer Entfernung von etwa 150 Millionen Kilometer nur einen winzigen Anteil davon ab: weniger als ein halbes Milliardstel. Dieser Anteil beträgt immer noch 174.260 Terawatt (TW, zu dieser Einheit >> hier), oder rechnerisch 1.366 Watt an jedem der Sonne zugewandten Quadratmeter der Erdoberfläche. Da die Erde kugelförmig ist und der größte Teil der Sonne daher schräg einfällt und ein Teil der Sonne abgewandt ist, ergibt sich hieraus eine durchschnittliche Sonneneinstrahlung an der Obergrenze der Atmosphäre von 342 Watt pro Quadratmeter. (Was in der Atmosphäre und auf der Erde mit dieser Strahlung geschieht, steht auf der Seite zum >> Klima). Die Sonneneinstrahlung wird seit 1978 sehr genau mit Satelliten gemessen, in diesem Zeitraum schwankte sie in einem Bereich von weniger als 0,1 Prozent (siehe Abbildung).

Schwankungen der Sonnenstrahlung

Die Sonneneinstrahlung schwankt in einem etwa 11-jährigen
Zyklus, der mit der Zahl der Sonnenflecken übereinstimmt.
Eigene Abbildung, Datenquelle >> NASA SOHO

Ein Indikator für die Intensität der Sonnenstrahlung sind die aus Teleskop-Beobachtungen bekannten Sonnenflecken: Diese entstehen, wenn Feldlinien des Sonnenmagnetfeldes durch die Oberfläche drängen und den Energietransport behindern. Der Kurzschluss der Feldlinien löst Ausbrüche und Protuberanzen (siehe Abbildung oben im Kasten) aus, dadurch verliert die Sonne etwa eine Millionen Tonnen Material pro Sekunde, die als “Sonnenwind” ins All strömen.

>> Thema Energie (Teil 2): Fotosynthese und globale Energieflüsse

Die Bildung der Gesteinsplaneten stellt man sich so vor, dass die Staubteilchen, die näher an der Sonne verblieben, durch die Hitze der Sonne außen schmolzen und dadurch “klebrig” wurden und immer größere Klumpen bildeten. Die größten wurden schließlich durch ihre Schwerkraft zu einer Art "Staubsauger", die das sie umgebende Material anzogen. So wuchsen sie zu kilometergroßen „Planetesimalen“ heran; die Zusammenstöße wurden immer heftiger, wobei die Planetesimale entweder zerplatzten oder aber den Zusammenstoß überstanden: Wenn sie zerplatzten, bildeten sie kleinere Himmelskörper (die Asteroiden); die überlebenden wuchsen durch das "Einfangen" von Asteroiden oder anderen Planetesimale zu Planeten heran. Bei der jungen Sonne stellte sich das Gleichgewicht zwischen Zusammenfallen durch Schwerkraft und Ausdehnung durch die einsetzenden Kernfusionen erst langsam ein; am Anfang gab sie zeitweise heftige Sonnenwinde ab, einen Strom geladener Teilchen: Dieser blies noch übrig gebliebene Gase und kleine Staubteilchen weg, so dass schließlich nur etwa 30 große Planetesimale überblieben. Aus ihnen entstanden die Gesteinsplaneten. Zwischen Mars und Jupiter liegt ein Asteroidengürtel, der vermutlich ein „verhinderter Planet“ ist: Die Schwerkraft von Jupiter und Saturn hat wohl verhindert, dass das Material sich hier zusammenballen konnte. Die anderen Asteroiden konzentrieren sich im Kuipergürtel jenseits des Pluto, und ganz außen in unserem Sonnensystem finden sich zahlreiche kleine Kometenkerne in der Oortschen Wolke.

Aber zurück zu den sonnennahen Bereichen. Einer der Planetesimale, die die gewaltigen Zusammenstöße von Himmelskörpern in der Frühzeit unseres Sonnensystems überstanden und zu einem Planeten heranwachsen sollten, war die Proto-Erde, der Vorläufer unserer Erde. Diese Proto-Erde hatte Glück, denn sie entkam ihrer Zerstörung wohl nur knapp: Vermutlich etwa 50 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems, vor etwa 4,5 Milliarden Jahren also, wurde sie von einem Himmelskörper größer als der heutige Mars getroffen. Zu unserem Glück traf dieser die Proto-Erde nicht voll, aber der Zusammenprall schleuderte große Mengen an Material ins All (und kippte die Erdachse, die seither um 23,44 Grad geneigt ist). Seit diesem Zusammenprall heißt unser Planet Erde. Das herausgeschleuderte Material wurden von der Schwerkraft der Erde „eingefangen“, kreiste um den Planeten und schloss sich zu einem (oder, wie einige Forscher glauben, zwei) Himmelskörper(n) zusammen, der seitdem um die Erde kreist – dem >> Mond. (Nach der anderen Theorie stießen die beiden Himmelskörper erst -zig Millionen Jahre später zusammen und formten den Mond.) Der Mond dürfte wesentlich näher an der Erde entstanden sein, als seine heutige Bahn verläuft - vermutlich in etwa 25.000 Kilometer Abstand. Es gab noch niemanden, der hätte sehen können, dass der Mond damals viel größer und heller war - aber der nähere Mond führte auch zu wesentlich stärkeren Gezeiten (die dadurch entstehen, dass die Schwerkraft an der mondnahen Seite stärker ist als an der mondfernen Seite der Erde), und diese trugen dazu bei, dass die Oberfläche der heißen Erde nicht erstarren konnte. Die Verformung der Erdoberfläche infolge der Gezeitenkräfte führte aber, da die Erde schneller rotiert als der Mond sie umläuft, infolge der Trägheit der zähflüssigen Gesteinsmassen zu einer zusätzlichen Komponente der Gravitation, die den Mond beschleunigte - wodurch dieser sich weiter von der Erde entfernte. Aufgrund des physikalischen Gesetzes von der Erhaltung des Drehimpulses (siehe Kasten rechts) muss die Erde sich daher langsamer drehen, die Tage wurden im Laufe der Zeit also immer länger. Diese Entwicklung ist noch nicht zu Ende: Seit bei der Apollo-11-Mission ein Spiegel auf dem Mond aufgestellt wurde, wird der Abstand des Mondes zur Erde sehr genau gemessen - und der nimmt um 3,82 Zentimeter pro Jahr zu.

Entstand der Mond durch einen kosmischen Zusammenprall?

Unser Erdmond ist eine Ausnahme unter den anderen bekannten Monden unseres Sonnensystems: er ist viel größer als die anderen Monde. Dies sind von den Planeten "eingefangene" Asteroiden oder Himmelskörper, die sich aus Staubresten um die großen Gasplaneten gebildet haben. Der Mond ist aber zu groß, um so entstanden sein zu können, und lange stellte seine Entstehung die Astronomen vor Rätsel. Viele Hypothesen wurden diskutiert, erst die Proben von Mondgestein aus den Apollo-Missionen brachten den Durchbruch und führten zur oben dargestellten Theorie eines Zusammenstoßes mit einem anderen Himmelskörper. Für diese sprechen folgende Argumente: Der Mond besitzt viel weniger Eisen als die Erde (sein Eisenkern macht drei Prozent seiner Masse aus, im Vergleich zu fast einem Drittel auf der Erde), und viel weniger leicht flüchtige Elemente. Letztere dürften bei beim Herausschleudern des Materials nach dem Einschlag des Himmelskörpers in die Proto-Erde verloren gegangen sein; der Eisenanteil ist geringer, da vor allem Material des Erdmantels ins All geschleudert wurde, und nicht des Erdkerns, in dem das Eisen konzentriert ist. Auch zeigen etwa die Auswertungen von 900 Millionen Jahre alten Gesteinen aus dem Big Cottonwood Canyon (Utah, USA), in denen sich sowohl tägliche als auch jährliche Sedimentschichten finden, dass der Tag damals tatsächlich nur 18,9 Stunden lang war; 400 Millionen Jahre alte Korallenfossilien zeigen über 400 Tageslinien pro Jahr. Die Tage waren also offenbar früher wirklich kürzer, der Mond hat sich seither von der Erde entfernt. Da die Theorie einer Kollision zudem die geneigte Erdachse erklärt, ist sie heute das weitgehend akzeptierte Modell der Mondentstehung.

Vor etwa 4,1 Milliarden Jahren kam es noch einmal zu einer intensiven Phase von Asteroidenbeschuss, die bis vor 3,8 Milliarden Jahren andauerte; eine Phase, die englisch late heavy bombardment (abgekürzt LHB) genannt wird. Ihren Höhepunkt erreichte sie vor 3,9 Milliarden Jahren; und was damals losgewesen sein muss, schließen die Astronomen aus den merkwürdigen Drehimpulsen mancher Himmelskörper, die sich am besten erklären lassen, wenn man annimmt, dass sie wie eine Billardkugel von anderen Himmelkörpern gestreift wurden. Auch ein Blick auf den Mond verschafft einen Eindruck: Seine über 300.000 Krater von über einem Kilometer Durchmesser sind allesamt Folgen dieses großen Bombardements durch Meteoriten und Kometen (auf der Erde sind diese Krater nicht mehr zu sehen, da sie inzwischen durch geologische Prozesse beseitigt wurden). Durch die Energie der Einschläge und die damals noch stärkere Strahlung radioaktiver Elemente war die Erde so heiß, dass Gestein geschmolzen blieb - kein Wunder, dass diese Zeit in der >> geologischen Zeittafel nach der griechischen Unterwelt (“Hades”) Hadaikum heißt. Aber durch die Einschläge nahm die Erde an Masse zu, sie brachten auch eine Reihe chemischer Elemente auf die Erde. Eine Klasse von Meteoriten, die kohligen Chondriten, enthielt jede Menge Kohlenstoff – Kohlenstoff sollte zum allgegenwärtigen und unentbehrlichen Bestandteil des Lebens auf der Erde werden. Und dadurch, dass die Erde geschmolzen war, wurde ihr heutiger Aufbau erst möglich - mehr dazu auf der nächsten Seite über den >> Planeten Erde.

Über die Ursachen des großen Bombardements gibt es mehrere Hypothesen. So könnten die Planeten sich auf ihren damaligen Umlaufbahnen mit ihrer Schwerkraft gegenseitig derart beeinflusst haben, dass das Planetensystem instabil wurde. Dabei nahmen die großen Gasplaneten ihre heutigen, weiter außen liegenden und stärker elliptischen Bahnen an (möglicherweise tauschten Uranus und Neptun dabei sogar ihre Plätze, war Neptun also ursprünglich erdnäher). Dabei störten sie aber auch die Umlaufbahnen im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter - und lösten so das Bombardement aus. Manche Forscher, die dieser Hypothese anhängen, glauben auch, dass damals einige uns bisher unbekannte Gesteinsplaneten in die Oortsche Wolke katapultiert wurden - und hoffen darauf, diese mit einer neuen Generation von Teleskopen, die gerade gebaut wird, entdecken zu können.

Wenn unserem Sonnensystem und der Erde unter den ungefähr 100 Milliarden mal 100 Milliarden Sonnensystemen eine eigene Seite gewidmet ist, so deshalb, weil die Leser dieser Seite auf der Erde ansässig sind: Bis heute ist die Erde der einzige uns bekannte Planet, auf dem es Leben gibt - und sogar solches, das sich für seine eigenen Ursprünge und seine eigene Zukunft interessiert und Seiten wie diese liest ...Smily: soll freundliches Lächeln symbolisieren. Warum konnte Leben gerade auf der Erde entstehen? Eine Antwort finden Sie auf der >> übernächsten Seite.

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© Jürgen Paeger 2006 - 2015

Unsere Nachbarn:

Merkur ist nur ein Drittel so groß wie die Erde und braucht 59 Erdentage für eine Rotation: Daher ist er auf der Tagesseite bis zu 430 °C warm, auf der Nachtseite -170 °C kalt.

Venus ist fast so groß wie die Erde und besitzt eine dichte Atmosphäre aus Kohlendioxid und mit viel Schwefelsäure: Venus ist 470 °C warm.

(Erde)

Mars ist halb so groß wie die Erde. Auf dem Mars gab es Wasser (>> mehr), deshalb wird dort nach Lebensspuren gesucht.

Die Gasplaneten:

Jupiter ist der größte Planet des Sonnen- systems (12 Mal so groß wie die Erde) - wegen seiner großen Masse stabilisiert er den Asteroidengürtel.

Saturn ist fast 10 Mal so groß wie die Erde und besitzt ein auffälliges Ringsystem.

Uranus und Neptun sind die beiden entferntesten Planeten, beide werden von zahlreichen Monden begleitet.

Der Mond:
Der Mond
Foto: © Luc Viatour GFDL

Der Erdmond (auch andere Planeten haben Monde) ist der einzige natürliche Satellit der Erde und umkreist diese in einem mittleren Abstand von 384.400 Kilometern. Auch der Mond besteht aus Kruste, Mantel und Kern, wobei die Oberfläche von einer Staubschicht (Regolith genannt) bedeckt und von Kratern übersäht ist - da es auf dem Mond weder Platten- tektonik noch eine Atmosphäre gibt, werden die Krater aus der Frühzeit des Mondes dort nicht abgetragen. Zur Rolle des Mondes für das Leben auf der Erde siehe >> hier.

Wie lange scheint die Sonne noch?

Der Wasserstoffvorrat im Kern der Sonne reicht noch für weitere fünf Milliarden Jahre, danach wird die Sonne zu als “roter Riese” noch weitere zwei Milliarden Jahre scheinen - allerdings ihren gegenwärtigen Umfang vervielfachen und die Erde bei dieser Expansion verdampfen.

Es ist ein physikalisches Gesetz, dass sich der  Drehimpuls eines Systems, wie Erde und Mond, nicht verändern kann. Den größten Anteil am Drehimpuls dieses Systems hat der Bahndrehimpuls des Mondes, der mit der Umlaufgeschwindigkeit zunimmt. Wird der Mond also beschleunigt, muss der Drehimpuls der Erde abnehmen, damit die Summe gleich bleibt - die Erde dreht sich daher langsamer, je weiter der Mond entfernt ist (genau umgekehrt wie beim Pirouetteneffekt im Eiskunstlauf). Als der Mond entstanden ist, dürfte der Tag auf der Erde nur rund 5 Stunden gedauert haben.