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Entstehung des Mondes

Wie ist der Mond entstanden? Bei dieser Frage handelt es sich um eine der schwierigeren in der Planetologie. Zu ungewöhnlich ist das Erde-Mond-System, um darauf eine schnelle Antwort geben zu können. Die Ergebnisse der Apollo-Missionen haben einige frühere Hypothesen aus dem Rennen geworfen. Dazu gehören die Einfangtheorie und die Theorie des gemeinsamen Ursprungs. Eine Theorie, die den Anspruch hat, eine der Wahrheit nahekommende Aussage über den Ursprung des Erde-Mond-System zu machen, muß versuchen u. a. folgende Beobachtungstatsachen zu erklären (Auswahl):

  • die für einen Mond im Vergleich zum Mutterplaneten ungewöhnliche Größe
  • der doch krasse Unterschied in der mittleren Dichte von Erde und Mond (Warum hat der Mond einen so geringen Eisenanteil?)
  • das völlige Fehlen von Wasser (und anderer volatiler Beimengungen) in den Mondgesteinen
  • die sehr gute Übereinstimmung der Sauerstoff-Isotopenverhältnisse von Erde und Mond, welches auf einen doch irgendwie gemeinsamen Ursprung beider hindeutet.
  • die Ausdifferenzierung, die beweist, daß der Mond einmal aufgeschmolzen war (leichte, feldspatreiche Gesteine sammeln sich an der Oberfläche, schwerere, olivinreiche, sinken in der Gesteinsschmelze nach unten) -> Magmaozean.
  • Größe und Verteilung des Drehimpulses im Erde-Mond-System (äußerst wichtiges KO-Kriterium)

Auf den ersten Blick scheint es recht schwierig zu sein, diese Punkte miteinander in Einklang zu bringen. Die Abspaltungstheorie von GEORGE H.DARWIN (1845-1912), die Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts sehr populär war, geht z.B. davon aus, daß die Urerde – als sie noch aus glutflüssigen Gestein bestand, der bereits in einen eisenreichen Kern und in einen silikatischen Mantel differenziert war – so schnell rotierte, daß sich ein Äquatorwulst aus-bildete, der sich aufgrund der Fliehkräfte von der Erde trennte und schließlich den Mond bildete. Das bedeutet aber konkret, daß die Rotationsperiode zu jener Zeit bei ungefähr 2 Stunden gelegen haben muß. Heute braucht die Erde für eine Umdrehung fast 24 Stunden. Es gibt keinen effektiven Mechanismus, der den anfänglichen Drehimpuls auf eine derart dramatische Weise (und das mußte in der frühen Erdgeschichte relativ schnell geschehen) abgeführt hat.

Gegen die gemeinsame Entstehung von Erde und Mond sprechen ihre unterschiedlichen mittleren Dichten und das Fehlen leichtflüchtiger Elemente in den Mondgesteinen. Auch bei diesem Szenario stellt die Erklärung der heutigen Drehimpulsverteilung ein Argument gegen die Theorie dar. Der Gesamtdrehimpuls von Erde und Mond ist dafür einfach zu klein.

Bleibt noch die Einfangtheorie. Sie ist noch so beliebt, daß man sie bei populärwissenschaftlichen Vorträgen immer wieder einmal hört. Doch leider ist sie bereits aus himmelsmechanischen Gründen sehr unwahrscheinlich. Ein Mond hat zwar kein Problem, bei entsprechender Bahnlage in den Einflußbereich der Erde zu gelangen. Aus energetischen Gründen sind jedoch die Randbedingungen für einen dauerhaften Einfang einer solchen großen Masse, der letztlich in einer stabilen Umlaufbahn um die Erde mündet, extrem eng gesteckt.

Es gibt jedoch eine Erklärung für die Entstehung des Erdmondes, der mit den oben genannten Punkten weitgehend verträglich ist. Das ist die sogenannte „Single Impact Hypothesis“. Sie wurde 1975 zur Diskussion gestellt und ihre Konsequenzen Ende der neunziger Jahre durch Simulationsrechnungen auf Supercomputern weiter untersucht. Diese Hypothese geht davon aus, daß in der Frühzeit der Erdgeschichte ein ungefähr marsgroßer Himmelskörper die Erde dezentral getroffen hat (DALY, 1946; HARTMANN und DAVIS, 1975). Bei diesem Superimpakt wurde die Materie aus dem bereits differenzierten Erdmantel herausgeschlagen, aus der sich kurze Zeit später der Mond bilden sollte. Man muß sich in etwa folgendes Szenario vorstellen, das durch umfangreiche Computersimulationen gestützt wird (CAMERON, WARD):

Ausgangsbedingungen

Vor 4.45 Milliarden Jahren war die Erde gerade einmal 50 Millionen Jahre alt und vollständig aufgeschmolzen. Das schwerere Metall (Fe, Ni) hatte sich bereits im Kernbereich angesammelt, der Rest bestand aus konvektiver Mantelmaterie. Da die Akkumulation von Planetesimal noch nicht vollständig abgeschlossen war, hat sich noch keine nennenswerte Kruste ausbilden können.

Impaktor

Der Himmelskörper, der in jener Zeit die Erde getroffen hat, war ebenfalls ein gerade aus Planetesimal entstandener aufgeschmolzener Körper von der ungefähren Masse des Planeten Mars.

„Great Impact“ und Mondbildung

Der Impakt erfolgte etwas dezentral mit einer typischen Auftreffgeschwindigkeit von 10 bis 15 km/s. Dabei führte der bei diesem Stoß übertragene Impuls zu einer Erhöhung der Rotationsfrequenz der Urerde, d.h. sie begann sich entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn schneller zu drehen. Die riesige kinetische Energie des Aufpralls wurde augenblicklich thermalisiert. Ein Teil des Erdmantels und ein großer Teil des Impaktors (bis auf seinen Kern, der sich mit dem der Erde vereinigte) verdampften quasi sofort. Auf diese Weise konnten sich die flüchtigen Elemente vom Material trennen.

Frühzeit des Mondes

Während der Akkretion – besonders, als der Mond schon eine gewisse Größe erreicht hatte – kam es aufgrund des Aufschlagens großer Mengen von Gesteinspartikeln zu einer starken Erhitzung seiner Oberfläche auf Temperaturen, die zum Schmelzen des Gesteins bis in mehrere 100 km Tiefe führten. Auf diese Weise bildete sich um den vergleichsweise kühlen Mondkern ein „Ozean“ aus flüssigem Magma. Abschätzungen gehen davon aus, daß er eine Tiefe von bis zu 400 km erreichte. Da er sowohl von „unten“ als auch durch Abstrahlung von Wärmestrahlung nach „außen“ gekühlt wurde, erstarrte er recht schnell. Auf seiner Oberfläche sammelten sich die spezifisch leichteren, feldspatreichen Gesteinsbestandteile an, während die schwereren Minerale wie Olivin und Pyroxen im Mantel verbleiben. Zwischen diesen beiden Schichten wurden die sogenannten „inkompatiblen“ Elemente (Kalium, seltene Erdmetalle („rare earth elements“), Phosphor etc.) eingeschlossen und bilden einen Bereich, den man deshalb als „KREEP“ bezeichnet.

Etwa 200 Millionen Jahre nach dem Impakt dürfte dieser Ozean aus flüssigem Gestein bereits wieder völlig erstarrt gewesen sein. Unterhalb dieser erstarrten und isolierenden Lithosphäre führte der Zerfall von radioaktiven Elementen jedoch wieder zu einer Temperaturerhöhung bis auf Werte, wo das Gestein eine Konsistenz annahm, bei der die schwereren Bestandteile in den kleinen heißen Kern abwandern konnten. Die dabei freiwerdende potentielle Gravitationsenergie hat das Mondinnere weiter aufgeheizt, was den Differentationsprozeß beschleunigte. Zu dieser Zeit wälzten riesige Konvektionsströme das gesamte Material oberhalb des Kerns mehrfach um. Wegen der mächtigen isolierenden Lithosphäre kühlt jedoch das Innere des Mondes im Vergleich zu einem gleich großen Himmelskörper mit einer dünnen Kruste nur recht langsam aus. Die einzige effektive Wärmequelle – der radioaktive Zerfall – reicht irgendwann nicht mehr, um einen globalen Massetransport im Mondinnern aufrechtzuerhalten. Die Konvektion verlangsamt sich und nimmt dadurch immer mehr lokalen Charakter an. Noch heute gibt es wahrscheinlich im Bereich des unteren Mondmantels Gebiete, wo das Material mit einer Geschwindigkeit von ca. einem halben Meter pro Jahrhundert fließen kann. Oberhalb dieser Zone erwartet man Bereiche mit Temperaturanomalien, in denen sich im Gestein Spannungen ausbilden können, die durch Tiefbeben abgebaut werden.

Evolution of the Moon (Nasa) - Die Entstehung des Mondes als Videosequenz

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