Wie die Erde entstand: Von kosmischem Staub zu einem geschmolzenen Planeten (Das Hadaikum erklärt)

Schlüsselwörter: frühe Erdformation, Akkretion, Hadaikum, planetare Differenzierung

Seit der Neolithischen Revolution umfasst die Menschheitsgeschichte etwa zwölftausend Jahre. Damals begannen unsere Vorfahren, vom nomadischen Leben zu sesshaften Gemeinschaften überzugehen, bildeten Dörfer und daraus entstanden schließlich die frühesten Städte und Staaten. ¹ The Neolithic Revolution
(2015)
Encyclopædia Britannica Doch lange bevor Menschen je erschienen, hatte die Erde bereits ihre eigene Geschichte begonnen. Wenn wir über die Geschichte der Erde sprechen, müssen wir viel weiter zurückgehen — bis vor 4,6 Milliarden Jahren ² The age of the Earth in the twentieth century
Dalrymple, G. B. (2001)
Geological Society of London Special Publications
DOI: 10.1144/GSL.SP.2001.190.01.14 .

Frühe Erdformation: Von Staub zu Planetenembryonen

Kurz nach der Entstehung des Sonnensystems gab es noch keinen riesigen kugelförmigen Planeten, wie wir ihn heute kennen. Stattdessen gab es eine riesige, rotierende Gas- und Staubscheibe — die protoplanetare Scheibe — die die neugeborene Sonne umgab ³ Protoplanetary disks and their evolution
Williams, J. P., Cieza, L. A. (2011)
Annual Review of Astronomy and Astrophysics
DOI: 10.1146/annurev-astro-081710-102548 . Das Sonnensystem war mit unzähligen winzigen Staubkörnern gefüllt, die in der protoplanetaren Scheibe trieben. Der Durchmesser dieser Staubkörner betrug nur wenige Mikrometer. Dies markierte den Beginn der Planetenentstehung — ein Prozess, der verstreute Trümmer durch eine Reihe von Kollisionen, Verschmelzungen und Gravitationswechselwirkungen in eine kohärente Welt verwandeln sollte. Unser Planet, die Erde, entstand aus diesen Staubkörnern. In der protoplanetaren Scheibe begannen mikroskopisch kleine Staubkörner zu kollidieren und aneinander zu haften. Im Laufe der Zeit bildeten diese Kollisionen immer größere Aggregate — der erste Schritt der Planetenentstehung.

Beginnen wir mit der Geburt der Erde. Tatsächlich teilt die Entstehung der Erde etwas mit uns — mit Menschen oder allen anderen Lebewesen auf diesem Planeten. Nichts entsteht aus dem Nichts. Ein neugeborenes Kind beginnt als befruchtete Eizelle — eine Zelle von der Mutter, eine vom Vater. Von da an wächst das Leben, indem es kontinuierlich Materie aus der Umgebung aufnimmt. Die aufgenommenen Nährstoffe können viele Formen annehmen: kleine Moleküle wie Glukose im embryonalen Stadium oder Milch und feste Nahrung nach der Geburt. Aber am Ende wird alles umgeformt und wird Teil des Körpers. Es ist ein Prozess der Neuanordnung des bereits Vorhandenen.

Die Erde entstand auf ganz ähnliche Weise — indem sie bestehende Materie kontinuierlich sammelte und neu formte.

Zunächst gab es noch keinen einzelnen Körper überhaupt — nur unzählige mikroskopisch kleine Körner, die über die Scheibe verteilt waren. In der protoplanetaren Scheibe klumpten diese Staubkörner durch Kollisionen und Gravitationsanziehung allmählich zusammen und bildeten immer größere Fragmente. Jedes Fragment enthielt geringe Mengen an Gestein, Metall und chemischen Verbindungen. Diese Fragmente kollidierten und verschmolzen immer wieder und bildeten zunehmend größere Körper. Im Laufe der Zeit wuchsen diese Körper auf mehrere Kilometer Durchmesser an und bildeten Planetesimale ⁴ The growth mechanisms of macroscopic bodies in protoplanetary disks
Blum, J., Wurm, G. (2008)
Annual Review of Astronomy and Astrophysics
DOI: 10.1146/annurev.astro.46.060407.145152 . Während des gesamten Prozesses — von einige Mikrometer großen Staubkörnern bis zu mehrere Kilometer großen Planetesimalen — umkreisten alle diese Körper den Zentralstern unter dem Einfluss seiner Schwerkraft. Dieser gesamte Prozess entfaltete sich in einem rotierenden System, in dem alle Materie den Zentralstern umkreiste.

Diese Planetesimale verteilten sich über das gesamte Sonnensystem und könnten in die Milliarden gegangen sein. Da ihre Umlaufbahnen sich kreuzten, waren Kollisionen zwischen ihnen äußerst häufig. Jeder Aufprall konnte sie größer machen. Wenn einige Planetesimale etwas größer als ihre Nachbarn wurden, nahm auch ihre Schwerkraft zu. Dadurch konnten sie nahegelegene Trümmer und kleine Körper leichter anziehen. Auf diese Weise wuchsen größere Objekte schneller, während kleinere allmählich absorbiert wurden. Dieser Vorgang wird als „unkontrolliertes Wachstum” bezeichnet. Als dieses ungleichmäßige Wachstum anhielt, wuchsen einige Körper schließlich zu Planetenembryonen von mehreren hundert Kilometern Durchmesser heran ⁶ The multifaceted planetesimal formation process
Thomas K. Henning et al. (2014)
Protostars and Planets VI. University of Arizona Press
DOI: 10.2458/azu_uapress_9780816531240-ch024 ⁷ Formation of protoplanets from planetesimals
Kokubo, E., Ida, S. (2000)
Bioastronomy 99 . Zu diesem Zeitpunkt war ihre Schwerkraft stark genug, um das umliegende Material viel effizienter zu akkretieren und ihre eigene Entwicklung zu beschleunigen.

Noch heute können wir im Hauptasteroidengürtel zwischen Jupiter und Mars die Überreste dieser Planetesimale sehen — Fragmente, die sich während der Entstehung des Sonnensystems nicht zu einem Planeten zusammenfügen konnten. Ohne die Gravitationsstörungen durch Jupiter hätte sich der Asteroidengürtel vielleicht zu einem vollständigen Planeten zusammengefügt. Körper wie Ceres und Vesta sind im Wesentlichen unfertige Planetenembryonen. Diese unvollständige Entstehung verdeutlicht eine wichtige Tatsache: Planetenbildung ist keine Selbstverständlichkeit — sie hängt empfindlich von der Gravitationsumgebung ab. Die Erde war einst einer von ihnen. Aber die Erde blieb nicht in diesem Stadium. Sie setzte die Akkretion fort, kollidierte und verschmolz, räumte kontinuierlich die Trümmer aus ihrer Umlaufbahn und wurde schließlich zum einzigen dominierenden Körper auf ihrem Weg.

Hitze von innen nach außen

Die Akkretion war nicht nur eine Frage von Kollision und Verschmelzung. Sie war mit einer enormen Energiefreisetzung verbunden. Als zwei Planetesimale kollidierten, wurde die kinetische Energie, die sie bei ihrer Umlaufbewegung trugen, augenblicklich in Wärme umgewandelt. Dies lässt sich durch eine einfache physikalische Beziehung beschreiben:

wobei $E_k$ die kinetische Energie, $m$ die Masse des Objekts und $v$ seine Geschwindigkeit ist. Die kinetische Energie hängt sowohl von der Masse als auch von der Geschwindigkeit ab. Im frühen Sonnensystem bewegten sich diese Körper oft mit mehreren Kilometern pro Sekunde. Bei Kollisionen konnte die enorme kinetische Energie nicht verschwinden — sie wurde in Wärme umgewandelt, wodurch die lokalen Temperaturen schnell anstiegen.

Noch wichtiger war, dass diese Kollisionen kontinuierlich stattfanden. In jener Zeit gab es zahlreiche Planetesimale mit sich überschneidenden Umlaufbahnen, was Kollisionen äußerst häufig machte. Bevor die Wärme eines Aufpralls Zeit hatte zu dissipieren, hatte der nächste Aufprall bereits stattgefunden. Wärme akkumulierte sich unerbittlich und trieb die Temperatur des Planeten immer höher — schließlich auf Tausende von Kelvin, genug, um Gestein zu schmelzen. ⁹ Planetary accretion in the inner Solar System
Chambers, J. E. (2004)
Earth and Planetary Science Letters
DOI: 10.1016/j.epsl.2004.04.031 .

Zwei weitere Prozesse versorgten die junge Erde kontinuierlich mit Wärme. Der erste war radioaktiver Zerfall. Die frühe Erde enthielt große Mengen instabiler radioaktiver Elemente wie Aluminium-26 und Eisen-60. Diese stammten aus dem interstellaren Material, das bei der Entstehung des Sonnensystems vorhanden war, und wurden in die Erde eingebaut, als sie akkretierte. Diese Elemente zerfielen auf natürliche Weise und setzten hochenergetische Teilchen und Wärme frei. Mit der Zeit wurden sie allmählich aufgebraucht, aber in den frühen Phasen der Erde waren sie eine wichtige Wärmequelle. Diese kurzlebigen Isotope lieferten eine intensive, aber vorübergehende Wärmequelle in den frühesten Phasen der Planetenentstehung.

Die zweite, ebenso wichtige, aber weniger sichtbare Wärmequelle war die Schwerkraft selbst. Als die Erde größer wurde, sank Material kontinuierlich in Richtung Zentrum. In diesem Prozess nahm die Gravitationspotentialenergie des einfallenden Materials ab — und diese Energie verschwand nicht; sie wurde in Wärme umgewandelt. Dieser Zusammenhang lässt sich ausdrücken als:

wobei $E_g$ die Gravitationspotentialenergie, $G$ die Gravitationskonstante, $M$ die Masse des Planeten und $R$ sein Radius ist. Als Material nach innen sank, verringerte sich $R$ und der Betrag von $E_g$ stieg, was bedeutet, dass mehr Energie freigesetzt und in Wärme umgewandelt wurde.

Zusammen hielten diese drei Mechanismen — Einschläge, radioaktiver Zerfall und die Umwandlung von Gravitationspotentialenergie — die junge Erde bei extremen Temperaturen, vom Inneren bis zur Oberfläche. Unter diesen Bedingungen existierte das Material der Erde nicht in fester Form. Stattdessen war es geschmolzen — eine notwendige Voraussetzung für alles, was folgte.

Planetare Differenzierung: Die Schichtung des Planeten

Die heutige Erde ist ein geschichteter Planet. Vom Kern bis zum Mantel bis zur Kruste hat jede Schicht eine eigene Zusammensetzung und Eigenart. Aber in der frühesten Phase der Erde existierte diese Struktur nicht. Die junge Erde war eher wie eine glühende, chaotische Kugel aus gemischtem Material, das von unzähligen kollidierenden und verschmelzenden Weltraumtrümmern geliefert wurde. Dieser chaotische Körper bestand nicht aus einem einzigen Element; er wurde von Eisen, Sauerstoff, Silizium, Magnesium und anderen dominiert ¹⁰ The chemical composition of the Earth
Allègre, C. J., Poirier, J.-P., Humler, E., Hofmann, A. W. (1995)
Earth and Planetary Science Letters
DOI: 10.1016/0012-821X(95)00123-T . Diese Elemente unterscheiden sich stark in ihrer Dichte — eine Tatsache, die sich in der weiteren Entwicklung der Erde als entscheidend erweisen sollte.

Als der gesamte Planet hoch erhitzt — ja sogar geschmolzen — war, konnte das Material nicht mehr an einer Stelle verbleiben, sondern begann langsam zu fließen. Unter diesen Bedingungen begann die Schwerkraft, Materialien nach ihrer Dichte zu sortieren. Dichtere Materialien wie Eisen und Nickel waren „schwerer” und sanken unter dem Einfluss der Schwerkraft allmählich in das Innere des Planeten. Leichtere Materialien, wie silizium- und sauerstoffreiche Verbindungen, waren relativ auftriebsfähig und stiegen zur Oberfläche auf. Dieser Prozess geschah nicht sofort. Er fand kontinuierlich innerhalb der fließenden Magma statt. Im Inneren der frühen Erde mag diese Sortierung sogar auf eine eindrucksvolle, fast kinematische Weise stattgefunden haben: Flüssiges Metall stieg in Tröpfchen herab, wie ein unaufhörlicher „Eisenregen”, der sich allmählich im Zentrum des Planeten sammelte. Im Laufe der Zeit bildete das absinkende Metall den Erdkern, während das leichtere Material darüber den Mantel und die Kruste bildete.

Dieser Prozess verlief nicht ohne Unterbrechung. Im frühen Sonnensystem blieben Einschläge häufig. Jede große Kollision konnte das Innere des Planeten erneut aufwirbeln, die Schichtung unterbrechen und sie dazu zwingen, neu zu beginnen. Erst als die Einschläge allmählich nachließen, konnte die Erde über längere Zeiträume eine stabile innere Struktur aufrechterhalten. Nach Milliarden von Jahren der Entwicklung ist das Ergebnis der klar definierte, geschichtete Planet, den wir heute bewohnen. Dieser Vorgang ist als planetare Differenzierung bekannt.

Folgen der Schichtung

Die Schichtung war nicht einfach eine Umstrukturierung der Elementpositionen — sie war mit einer enormen Energiefreisetzung verbunden. Als schwerere Materialien in Richtung Erdmittelpunkt sanken, nahm ihre Gravitationspotentialenergie kontinuierlich ab, und diese Energie wurde in Wärme umgewandelt, was das Innere des Planeten weiter erwärmte. Dadurch blieb die Erde auch nach der Zeit intensiver Bombardierung bei hohen Temperaturen.

Im Kern können Temperaturen mehrere Tausend Grad Celsius erreichen. Unter diesen Bedingungen bleibt Eisen geschmolzen und bildet einen Kern aus elektrisch leitender Flüssigkeit. Angetrieben von der Eigenrotation der Erde und der internen thermischen Konvektion erzeugt dieses fließende leitfähige Material elektrische Ströme, die wiederum ein Magnetfeld erzeugen. Anfangs war dieses Feld möglicherweise relativ schwach. Doch als sich das Innere der Erde allmählich stabilisierte, setzte sich der Prozess fort und erzeugte schließlich ein planetares Magnetfeld, das weit in den Weltraum reicht — einer der wichtigsten Schutzschilde der Erde.

Eine Welt nimmt Gestalt an

Von einigen treibenden Trümmern im Weltraum zu einer geschichteten Welt aus Gestein, Metall, Wärme und Bewegung — die Erde hatte bereits ihre grundlegende Form angenommen. Die Schwerkraft sammelte sie, Einschläge erhitzten sie, und die Schichtung formte sie von innen neu. Was einst als verstreute Trümmer dalag, war zu einem jungen Planeten mit einem aktiven Inneren und einer eigenen Struktur geworden. Aber dies war erst der Anfang. Die Erde war noch nicht ruhig, noch nicht fest, und noch nicht die Welt, die wir heute kennen.