Die Welt, in der wir leben
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 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).
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).
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 .... Warum konnte Leben
gerade auf der Erde entstehen? Eine Antwort finden Sie auf der
>>
übernächsten Seite.
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