Geokommission

Damit sich die primitive Ur-Erde innerhalb von 60 Millionen Jahren nach Entstehung des Sonnensystems in Kern und Mantel aufspalten konnte, musste das Eisen-Nickel-Metall 2.900 Kilometer tief ins Erdinnere absinken. Dieser Separationsprozess kam vermutlich in Gang, nachdem sich ein oder mehrere ­Magmenozeane gebildet hatten. Diese Ozeane aus geschmol­zenem Gestein entstanden durch gewaltige Meteoriteneinschläge in der Frühphase der Erde. Informationen dazu, welcher Druck und welche Temperatur herrschten, während sich Metalle und Silikate trennten, lassen sich aus dem Vergleich experimenteller Daten mit der Häufigkeit von Elementen im Erdmantel ableiten. Das Verhalten von Wolfram ist dabei von besonderer Bedeutung, da das Hafnium-Wolfram-Isotopensystem zur Datierung der Differenzierung genutzt wird. Modelle zeigen, dass der Erdkern 30 bis 60 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems gebildet wurde.

Leichte Elemente wie Silizium, Sauerstoff oder Schwefel machen bis zu zwölf Prozent der Masse des Erdkerns aus. Diese leichte Komponente war bereits von Anfang an im Erdkern enthalten. Es ist mittlerweile bekannt, dass die leichten Elemente die Konvektion im flüssigen äußeren Erdkern kontrollieren und damit das Magnetfeld der Erde in Gang halten. Die leichten Elemente beeinflussen zudem die chemischen Reaktionen an der Kern-Mantel-Grenze. Welche leichten Elemente im Erdkern vorliegen und wie hoch ihre Konzentrationen sind, ist bisher aber nur unzureichend geklärt. Welche Menge leichtflüchtiger (volatiler) und chalkophiler (schwefelliebender) Elemente im Erdkern vorhanden ist, bleibt ebenfalls unklar. Erst jüngst zeigte sich, dass keine nennenswerten Mengen des leichtflüchtigen und schwach chalkophilen Elements Blei im Erdkern stecken. Das Uran-Blei-Alter der Erde datiert somit nicht die Entstehung des Erdkerns, sondern eher die Aufheizung der Erde nach dem letzten großen Impakt, bei dem vermutlich der Mond entstanden ist.

Die geologische und biologische Entwicklung der Erde kann ohne ein vertieftes Wissen über die Entstehung und Entwicklung des Mondes nicht verstanden werden. Das haben die Mondmissionen und die Analyse von Mondgesteinen im Labor gezeigt. Seitdem der erste Mensch im Juli 1969 auf dem Mond gelandet ist, hat sich das Wissen über die Geologie des Mondes und der terrestrischen Planeten deutlich erweitert. Eine der wichtigsten Erkenntnisse besteht darin, dass alle festen Planeten durch extrem kurzzeitige und hochenergetische Kollisionsprozesse geprägt wurden. Im Gegensatz zu Prozessen wie Gebirgsbildung, Erosion und Sedimentation sind Meteoriteneinschläge keine langsamen oder sich regelmäßig wiederholenden Vorgänge. Selbst die größten Meteoritenkrater auf der Erde, die einen Durchmesser von über 200 Kilometern aufweisen und ursprünglich mehr als 15 Kilometer tief waren, sind innerhalb weniger Minuten entstanden. Auch die Geburt des Mondes hat nur 24 Stunden gedauert, wie neueste Daten zeigen. Sie ereignete sich 50 bis 100 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnen­systems, als ein etwa marsgroßer Körper mit der Erde zusammenstieß. Die Isotope vieler Elemente, zum Beispiel Sauerstoff oder Chrom, sind auf dem Mond gleich häufig wie auf der Erde. Das Material, aus dem sich der Mond zusammenballte, schmolz nach der Kollision vollständig und verdampfte wahrscheinlich teilweise. Der Mond enthält daher extrem wenig leichtflüchtige Elemente. Einige magmatische Mondgesteine weisen eine ungewöhnliche chemische Zusammensetzung auf. Dazu zählen extrem feldspatreiche Anorthosite, sehr titanreiche Mare-Basalte oder die so genannten KREEP-Basalte, die reich an Kalium, Barium, Uran, Zirkonium und Phosphor sind. Diese ungewöhnlichen Gesteine könnten unmittelbar nach der Geburt des Mondes entstanden sein, als ein mindestens 500 Kilometer tiefer „Magmaozean” auskristallisierte. Die Befunde vom Mond sind ein Hinweis darauf, dass sich auch auf der Erde ein Magmaozean gebildet hat.

REM-Aufnahme einer Probe, die in einer Hochdruck-Presse bei 18 Gigapascal und 2.300 Grad Celsius geschmolzen wurde, um die Elementverteilung zwischen Silikat und Metall zu studieren (Quelle: Hidenori Terasaki, Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)

Um das relative Alter von Gesteinen auf der Mondoberfläche zu bestimmen, werden gewöhnlich die Meteoritenkrater in einem Gebiet gezählt. Diese Methode wurde zur Standardmethode für alle festen Planeten und Monde des Sonnensystems. Sie basiert auf den Kratergrößen-Häufigkeitsverteilungen für die Hauptepochen der Mondgeschichte. Die Kraterhäufigkeit wurde durch die radio­metrische Altersdatierung von Gesteinsproben der Apollo-­Missionen zeitlich kalibriert. Der innere Aufbau des Mondes kann durch die seit 35 Jahren durchgeführten Laser-Abstandsmessungen und durch die Fernerkundung mit Satelliten erforscht werden. Solche Messungen haben auch Informationen über die Zusammensetzung der Mondrückseite geliefert, die durch bemannte Weltraummissionen nicht beprobt wurde.

Die aktuelle Erforschung des Erde-Mond-Systems konzentriert sich auf folgende Fragen: Wie unterscheidet sich die Zusammensetzung von Erde und Mond und welche Prozesse sind dafür verantwortlich? Je nachdem, welches Modell der Mondentstehung sich als richtig herausstellt, fällt die Antwort auf diese Fragen unterschiedlich aus. Besteht der Mond wirklich zu 80 Prozent aus Material des ­Impaktors, wie es die Modelle voraussagen, oder sind solche Modellrechnungen nicht zutreffend? Die überraschenden Ähnlichkeiten von lunarer und terrestrischer Materie werden von manchen Forschern damit erklärt, dass sich nach der Kollision ein Gleichgewicht zwischen dem Mondmaterial und den heißen, verdampften Oberflächenschichten der Erde einstellte. Der Schlüssel zu diesem Rätsel ist das Mondgestein, da es älter als irdische Gesteine ist. Während die ältesten Gesteine der Erde durch die Plattentektonik zerstört wurden, blieb auf dem tektonisch inaktiven Mond wesentlich älteres Material erhalten. Daher ist es nötig, Mondgesteine und irdische Proben zu vergleichen. Dieser Vergleich ermöglicht zudem Einblicke in die Frühgeschichte der Erde.

Die Prozesse, die für die heutige Zusammensetzung des Erdmantels und des Erdkerns verantwortlich waren, können heute nicht mehr beobachtet werden. Genauso wenig ist es möglich, den Austausch von Material zwischen Erdmantel und Erdkern direkt zu beobachten, auch wenn er möglicherweise noch heute abläuft. Deswegen ist man auf petrologische und physikalische Experimente angewiesen. Mit solchen Experimenten könnte sich in Zukunft klären lassen, wie der Erdkern zusammengesetzt ist, wie sich flüchtige oder chalkophile Elemente bei der Kernbildung verhalten haben und welche Vorgänge an der Kern-Mantel Grenze ablaufen.

Durch Datierungen mit lang- und kurzlebigen Zerfallsreihen kann das Alter des Mondes auf 50 bis 100 Millionen Jahre nach der Entstehung des Sonnensystems eingegrenzt werden. Wann der Magmaozean auf dem Mond kristallisierte, ist weit unsicherer. Momentan akzeptierte Abschätzungen ergeben ein Alter von bis zu 4,35 Milliarden Jahren, also bis zu 250 Millionen Jahren nach der Entstehung des Sonnensystems. Solch ein „junges“ Alter steht jedoch im Widerspruch zum Alter der ältesten Mondgesteine (circa 4,45 Milliarden Jahre). Diese Altersabschätzungen können in der Zukunft erheblich präzisiert werden, indem verschiedene chemische und physikalische Ansätze kombiniert werden.

Planetare Kollisionen hatten einen entscheidenden Einfluss auf die thermische Entwicklung und die Zusammensetzung der Planeten und möglicherweise sogar auf die Entwicklung des frühen Lebens. Es ist daher vielversprechend, die Impaktgeschichte des Mondes und auch Meteoritenkrater auf der Erde zu erforschen und diese Vorgänge in Modellen nachzuvollziehen.

Die Proben der Apollo- und der Luna-Missionen sind wahrscheinlich nicht repräsentativ für die gesamte Mondoberfläche. Das zeigen Mondmeteoriten und die Fernerkundung der Mondoberfläche. Um die Modelle zur Mondentstehung zu verbessern, ist es unerlässlich, Zugang zu neuem Probenmaterial zu bekommen und neue analytische Methoden anzuwenden. Das macht es erforderlich, eine geeignete Infrastruktur aufrechtzuerhalten und weiterzuentwickeln und sich an zukünftigen Mondmissionen zu beteiligen.