Impakte und Planetenentwicklung

14. April 2010

Destruktiver Aspekt des Impakts

Die Datensätze von Fossilien weisen auf mehrere Ereignisse von Massenaussterben während des Phanerozoikums, das vor etwa 550 Millionen Jahren begann, hin. Das umfassendste dieser Ereignisse fand vor ca. 250 Millionen Jahren an der Perm-Trias Grenze statt und führte zum Aussterben von ~ 95% der Meeresbewohner und 2/3 der Landbewohner. Die Ursachen des Massenaussterbens, obwohl noch nicht ausreichend aufgeklärt, können mit Impakten, starkem Vulkanismus oder einer Kombination von beiden Ereignissen in Zusammenhang gebracht werden. In Abhängigkeit von der Größe des Asteroiden oder Kometen kann ein Impakt zur Vernichtung eines großen Teils der Biosphäre oder zur Sterilisation des ganzen Planeten führen. Vor ~ 65 Millionen Jahren entstand der Chicxulub Krater in Mexiko durch den Einschlag eines etwa 10 km großen Körpers. Es ist sehr wahrscheinlich, dass dieses Ereignis zum Massensterben an der Grenze zwischen Kreide und Tertiär führte, das die Hälfte aller Tierarten und insbesondere auch die Dinosaurier betraf. Die weitere Aufklärung des Zusammenhangs von Impakten und dem Phänomen des Massensterbens erfordert die Verbindung der Suche nach Impaktindikatoren in den relevanten stratigraphischen Schichten (z.B. an der Perm-Trias Grenze) mit der Durchführung von speziellen Impaktexperimenten und der numerischen Simulationen der entsprechenden Impaktereignisse.

Konstruktiver Aspekt des Impakts

Die Entstehung von Leben erfordert das Vorhandensein von Energiequellen, Kohlenstoff- und Stickstoff-haltigen chemischen Verbindungen (CN-Verbindungen), sowie Wasser. Ein Planet, der sich in der nahen Umgebung seines Sterns bildet, besteht hauptsächlich aus temperatur-beständigen Materialien. Folglich ist seine Oberfläche arm an Wasser und CN-Verbindungen. Eine Quelle volatiler Substanzen stellt das Ausgasen des Erdmantels dar. Die Effizienz dieses Prozesses wächst je höher die Temperatur des Mantels ist. Die Energie für die hinreichende Erwärmung des Mantelmaterials wurde bereitgestellt durch

  1. die Akkretion von planetesimalen Körpern und planetarer Embryos,
  2. den Zerfall relativ kurzlebiger radioaktiver Elemente (z.B. 26Al),
  3. die Formierung des Erdkerns und
  4. den wahrscheinlichen Zusammenstoß mit einem Mars-ähnlichen Planeten.

Um die Bedeutung der konstruktiven Aspekte der Impakt Ereignisse einzuschätzen, muss man sich den Prozess der Erdentstehung (vor etwa 4.55 Milliarden Jahren) vergegenwärtigen. In seiner Frühphase (Dauer: 40-60 Millionen Jahre) formte sich ein planetarer Embryo (Protoerde) aus den Planetesimalen(*), die sich in der Umgebung des Erdorbits befanden. Diese Planetesimale ähnelten in ihrer Zusammensetzung den enstatischen und gewöhnlichen Chondriten, wobei ein Chondrit ein undifferenzierter Meteorit ist. Sie waren arm an hoch-volatilen Substanzen wie Wasser und organischem Material. Ihre Größe konnte die des Mondes erreichen. Während der Spätphase der Akkretion (Dauer: ~ 30-50 Millionen Jahre) gelangten auch Körper aus dem Bereich des äußeren Asteroidengürtels auf einen Kollisionskurs mit der Protoerde. Diese Körper ähnelten in ihrer Zusammensetzung den kohligen Steinmeteoriten. Sie zeichneten sich durch einen relativ hohen Anteil an Wasser und organischen Substanzen (~ 10%) aus und reicherten den Erdmantel mit diesen Materialien an. Infolge der Einschlagsenergie der planetesimalen Körper und der planetaren Embryos entsprach die Protoerde einem Feuerball aus mehr oder weniger zähflüssigem Gesteinsmaterial welches eine Magmaschicht bildete. Daher konnten sich die schweren Elemente (hauptsächlich Eisen und Nickel) im Erdzentrum ansammeln. Sie bildeten den Erdkern. Infolge der Umwandelung der gravitiven in thermische Energie verlief der Segregationsprozess exotherm und führte zur weiteren Aufheizung des Protoplaneten. In der Endphase der Akkretion kam es wie erwähnt zum Zusammenstoß mit einem Mars-ähnlichen Planeten, der die Entstehung des Mondes zur Folge hatte. Aus der Magmaschicht bildete sich ein Kilometer tiefer Magmaozean (100-500 km), dessen Ausdampfung die Entstehung einer CO2 und H2O haltigen Atmosphäre bewirkte. Die Energie der radioaktiven Elemente war für terrestrische Planeten von geringer Bedeutung und führte nur bei den Planetesimalen selbst zum Aufschmelzen und damit zur Differenzierung ihres Materials.Im Verlauf von einigen Millionen von Jahren kam es zu einer allmähliche Abkühlung des Planeten. Es bildete sich eine Erdkruste und der Wasserdampf in der Atmosphäre kondensierte, so dass flache Ozeane entstehen konnten. Die CO2 Atmosphäre verhinderte ein zu starkes Abkühlen der Erdoberfläche und dadurch das Gefrieren der Ozeane. Damit waren zwei wichtige Voraussetzungen für die Entstehung von Leben erfüllt, die Existenz von Wasser und die Verfügbarkeit von Energie. Allerdings fehlten organische Substanzen in ausreichender Konzentration. Das Alter bestimmter Krater auf dem Mond und dem Mars legt die Vermutung nahe, dass es vor etwa 3.9 Milliarden Jahren zu einem Bombardement der Oberfläche dieser Körper und der Erde kam. Dieses Bombardement (large heavy bombardment - LHB) ist wahrscheinlich durch die radiale Migration der äußeren Planeten und der damit verbundenen gravitiven Wechselwirkungen verursacht worden. Die Asteroiden und Kometen des Hauptgürtels wurden ins innere Sonnensystem gestreut und zu Impaktoren. Ein Teil dieser Impaktoren (~ 1021 kg) bombardierte die Erdoberfläche und reicherte sie mit organischen Substanzen an. Wir nehmen an, dass infolge einer komplexen Staubchemie die präbiotischen Moleküle gebildet wurden, die für die Entstehung von Zellen und damit des Lebens verantwortlich waren.

Mathematische Simulationen und Experimente

Mathematische Simulationen der hydrodynamischen und chemischen Prozesse im solaren Nebel sind zur Aufklärung der Zusammensetzung der Planetesimale and zur Abschätzung ihres Anteils an volatilem Material notwendig. Außerdem, führen wir Impakt Simulationen durch, um die verschiedenen Energienteile zu bestimmen, die an die Atmosphäre, den Impaktor und die Erdoberfläche abgegeben werden. Der zumeist kleinere Teil dieser Energie bewirkt die Entstehung einer Dampfwolke bestehend aus Impaktor- und Erdbodenmaterial und der größere Anteil verursacht die Entstehung eines Kraters (Barringer Krater in Arizona). Die Dampfwolke und der aus dem Krater ausgestoßene Staub können die Umweltbedingungen auf dem Planeten großräumig verändern. Die Kombination der simulierten Impaktdaten mit einem atmosphärischen Transport- und Chemiemodell gestattet die Berechnung der Entstehung und Entwicklung der Dampf- und Staubwolke. Anhand dieser Ergebnisse können wir die beiden Aspekte des Impakts quantitativ analysieren. Je nach Größe des Impaktors könnten einerseits große Teile einer bestehenden Biosphäre vernichtet werden, z.B. durch die Formierung einer langlebigen Aerosolschicht in der Stratosphäre. Andererseits können die entstandenen Dampf- und Staubwolken in der Phase des LHBs die Bedingungen für die Bildung komplexer organischer Moleküle wie zuvor beschrieben verbessert haben.

Zusätzlich zu den mathematischen Modellen werden Schockexperimente ausgewertet. Gesteinsmaterial und Mineralien werden bei einem Impaktereignis einem Druck von 5 bis 50 GPa ausgesetzt. Dieser Druck kann im Ernst-Mach Institut für Kurzzeitdynamik in Freiburg erzeugt werden. Im Rahmen der geplanten Experimente studieren wir die Druck- und Temperaturbeziehungen im geschockten Material. Außerdem untersuchen wir den Einfluss eines Impakts auf organische Materie (z.B. polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Fullerene) und Mikroorganismen. Die Kombination der Ergebnisse aus den Experimenten und den Simulationsrechnungen gestattet somit die schrittweise Aufklärung des Einflusses von Impaktereignissen auf die Entstehung und Entwicklung einer planetaren Biosphäre.




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