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Ursprung und Entwicklung des Mondes

Die faßliche Ausbeute der Apollo-Missionen war gut eine Drittel Tonne lunaren Gesteins. Diese Proben von der staubigen Oberfläche des uns nächsten Himmelskörpers haben viele neue Erkenntnisse über seine Entstehung und auch über die Frühzeit der Erde ermöglicht.

Der Flug von Apollo 11 vor 25 Jahren und die nachfolgenden bemannten Mondmissionen waren nicht nur Expeditionen zu einem 380000 Kilometer entfernten kosmischen Objekt, sondern gleichsam auch eine mehrere Milliarden Jahre überbrückende Zeitreise. Anhand der Boden- und Gesteinsproben, welche die insgesamt zwölf auf dem Mond gelandeten Astronauten zurückbrachten, ließen sich wichtige Informationen über die faszinierende Geschichte des Erde-Mond-Systems gewinnen (Bild 5): Indizien dafür, wie der Erdtrabant entstanden ist, woraus er besteht und wie alt er ist. Mit den auf der Mondoberfläche zurückgelassenen Meßgeräten vermochten Geophysiker zugleich den inneren Aufbau und die Aktivität des Himmelskörpers zu ermitteln. Ohne das Apollo-Programm hätten diese Entdeckungen – wenn überhaupt – so bald und so zügig nicht gemacht werden können.

Durch die Exkursionen fort von unserem Heimatplaneten hat man auch viel über ihn selbst gelernt. Geologische Prozesse wie Plattentektonik, Vulkanismus, Faltungen, Verwerfungen, Gebirgsbildung, Vereisungen und Erosion haben die Zeugnisse der frühesten Erdgeschichte größtenteils verändert oder zerstört. Der Mond hingegen war weniger aktiv. Zwar entstand auf ihm während der ersten Milliarde Jahre eine verblüffende Vielfalt von Strukturen, aber die Spuren dieser Geschehnisse sind nicht völlig verwischt. Durch Vergleich von Kratern, Lavaströmen und vulkanisch ausgeworfenem Gestein des Mondes mit entsprechenden irdischen Formationen können die Wissenschaftler überprüfen, ob ihre Modelle von deren Entstehungsmechanismen richtig sind.

Selbstverständlich setzten sich die neuen Erkenntnisse nicht sofort nach den Apollo-Flügen durch. Es dauerte einige Jahre, bis die mitgebrachten Proben analysiert und auf der Grundlage der empirischen Daten stichhaltige Theorien entwickelt worden waren. Die konkrete Ausbeute der Apollo-Missionen bestand aus rund 382 Kilogramm lunaren Materials von sechs verschiedenen Landeplätzen. Da es an der Luft rasch oxidieren würde, bewahrt man es im Lyndon-B.-Johnson-Raumflugzentrum der NASA in Houston (Texas) in einer trockenen Stickstoffatmosphäre auf.

Eine der ersten Fragen, die sich anhand der Proben beantworten ließ, war die nach dem Alter des Mondes. Isotopenanalysen ergaben, daß er gleichzeitig mit der Erde – also vor viereinhalb Milliarden Jahren – entstanden ist. Auch zeigte sich, daß der Mond bis vor etwa zwei Milliarden Jahren geologisch aktiv gewesen war. Andere kritische Punkte ließen sich allerdings nur in langwierigen Untersuchungen klären.

So einigten sich die Forscher erst 1984 – zwölf Jahre nach dem letzten Apollo-Flug – auf eine Theorie des Mondursprungs. Anlaß war eine Tagung in Kona auf Hawaii, die ich zusammen mit William K. Hartmann vom Institut für Planetenwissenschaft in Tucson (Arizona) und Roger J. Phillips, der jetzt an der Washington-Universität in Saint Louis (Missouri) tätig ist, organisiert hatte. Bei der Hartnäckigkeit, mit der Wissenschaftler ihren Vorstellungen anzuhängen pflegen, erwartete niemand von uns, daß eine der drei bis dahin hauptsächlich vertretenen Hypothesen als Favorit aus der Diskussion hervorgehen würde – jede hatte ihre Kritiker, die schwerwiegende Mängel zu erkennen glaubten, jede aber auch überzeugte Verfechter. Es kostete viel Überwindung und Vorstellungskraft, in sich schlüssig scheinende überkommene Ideen angesichts neuer Fakten schonungslos zu überprüfen und dann ins Lager eines vermeintlichen Außenseiters zu wechseln. Manches Weltbild stürzte damals in Kona wie ein Kartenhaus zusammen.


Die klassischen Theorien

Schon zu Beginn der Tagung galt die Einfang-Hypothese als die am wenigsten plausible. Ihrer ursprünglichen Formulierung zufolge soll der Mond andernorts im Sonnensystem entstanden und irgendwann gerade so in das Schwerefeld der Erde geraten sein, daß er nicht mehr entrinnen konnte (Bild 2a).

Grundsätzlich ist das zwar möglich, aber höchst unwahrscheinlich. Ein in unmittelbare Nähe der Erde gelangender Himmelskörper würde wohl entweder mit ihr zusammenprallen oder durch die Massenanziehung so abgelenkt werden, daß ein erneutes Zusammentreffen so gut wie ausgeschlossen wäre. Die Chance, daß die Bahnen von Mond und Erde gerade die Voraussetzungen zum Einfang boten, ist verschwindend gering; darum lehnten praktisch alle Wissenschaftler diese These ab.

Die Apollo-Mission trug dazu bei, sie endgültig zu widerlegen. Im lunaren Gestein sind Sauerstoff-Isotope in ähnlichen Mengenverhältnissen vorhanden wie in irdischem, was auf einen gemeinsamen Ursprung hinweist. Wäre der Mond an einer anderen Stelle im Sonnensystem entstanden, müßten sich diese Relationen eigentlich unterscheiden.

Eine Alternative war die seit langem immer neu überdachte Abspaltungs-Hypothese. Erstmals unterbreitet hatte sie George H. Darwin (1845 bis 1912), der zweite Sohn des Evolutionsbiologen Charles Darwin (1809 bis 1882). Seiner Theorie zufolge rotierte die Erde, nachdem sie einen Kern gebildet hatte, extrem schnell, so daß am Äquator eine starke Ausbuchtung entstand, aus der sich schließlich ein immens großer Tropfen löste, der dann zum Mond erstarrte (Bild 2b).

Dieses Szenario hatte den Vorteil, eine wesentliche Eigenschaft des Mondes zu erklären, die Astronomen bereits vor mehr als hundert Jahren erkannten: Aus den Parametern seiner Umlaufbahn und seiner Größe errechneten sie, daß seine Dichte geringer ist als die der Erde. Daraus folgt, daß der Erdtrabant – wenn überhaupt – nur einen kleinen metallischen Kern haben kann. Mit einer Abspaltung ist dies zwanglos übereinzubringen, denn in dem Falle hätte sich der Mond hauptsächlich aus dem Material des Erdmantels (also der Schicht zwischen Erdkruste und -kern) gebildet.

Spätere Berechnungen ergaben, daß die Erde sich alle zweieinhalb Stunden einmal um ihre Achse gedreht haben müßte, um das für die Bildung eines so großen Objektes erforderliche Material abzuschleudern. Eine solch schnelle Rotation ist jedoch kaum vorstellbar. Falls die Erde sich – wie man gemeinhin annimmt – durch Zusammenlagerung von Partikeln aus einer protoplanetaren Staubwolke gebildet hat, kann sie sich von Anfang an nur recht langsam gedreht haben. Selbst nachfolgende Prozesse wie etwa Einschläge von Gesteinsbrocken mit Durchmessern bis zu einigen hundert Kilometern hätten ihren Drehimpuls nicht wesentlich erhöhen können; Computersimulationen zeigten, daß die Wirkungen dieser Stöße sich im Mittel kompensiert haben müßten. Selbst wenn es einen Mechanismus gäbe, über den die Erde einen ausreichenden Drehimpuls vermittelt bekommen hätte – der größte Teil der Rotationsenergie müßte hernach wieder vernichtet worden sein, denn der heutige Drehimpuls des Mond-Erde-Systems liegt erheblich unter dem zur Abspaltung erforderlichen Wert. Dennoch ließ sich das Modell allein aufgrund der dynamischen Berechnungen nicht eindeutig widerlegen, so daß lange Zeit genügend Spielraum für Spekulationen blieb.

Das Apollo-Programm ermöglichte eine neue Überprüfung dieser Hypothese. Falls sich der Mond einst von der Erde abgeschnürt haben sollte, müßte sein Gestein exakt dieselbe Zusammensetzung aufweisen wie Kruste und Mantel der Erde. Aus der Ähnlichkeit der Sauerstoff-Isotopen-Verhältnisse läßt sich zwar auf eine enge Verwandtschaft beider Himmelskörper schließen; ansonsten aber unterscheiden sich ihre Mineralien, wie die chemische Analyse der lunaren Gesteinsproben und ein auf dem Mond aufgebautes Netz von Seismometern sowie spektroskopische Untersuchungen während der Missionen Apollo 15 und Apollo 16 belegten.

Beispielsweise enthält das Mondgestein viel weniger Substanzen, die bei relativ niedriger Temperatur verdampfen und deshalb als leichtflüchtig bezeichnet werden, als der Erdmantel. Wasserhaltige Minerale fehlen völlig; und auch sonstige flüchtige Elemente – ob auf der Erde recht gewöhnliche wie Kalium und Natrium oder exotischere wie Thallium – sind nicht vorhanden. Demgegenüber ist das Mondgestein reicher an hochschmelzenden, schwerflüchtigen (refraktären) Elementen wie Aluminium, Calcium, Thorium und Seltenen Erden. Offenbar sind deren Konzentrationen auf dem Mond etwa 50 Prozent höher als im irdischen Gestein. Des weiteren ist das Verhältnis von Eisen- zu Magnesiumoxid auf dem Mond etwa zehn Prozent größer als in Kruste und Mantel der Erde.

Trotz dieser Indizien gegen die Abspaltungs-Hypothese gaben sich ihre Vertreter nicht geschlagen. Sie ersannen Mechanismen, die den Anteil an flüchtigen Substanzen verringert und den an refraktären Elementen erhöht haben sollten; und sie verlängerten die Fehlerbalken im Diagramm der Verhältnisse von Eisen- und Magnesiumoxid so weit, bis sie behaupten konnten, es seien keine Unterschiede erkennbar. Nach und nach haben aber die aus den chemischen Untersuchungen gewonnenen Befunde die meisten Forscher davon überzeugt, daß das Abspaltungsmodell einer kritischen Überprüfung nicht standhält.

Die dritte klassische Theorie ist die Doppelplaneten-Hypothese, wonach Mond und Erde nahezu gleichzeitig aus einer Wolke aus Gas und Staub entstanden sein sollen. Der Mond hätte sich demnach aus einem Materiering gebildet, der die Urerde umgab und sich schließlich zusammenzog (Bild 2 c).

Warum der Mond aber im Vergleich zur Erde einen so kleinen metallischen Kern aufweist, machte dieses Modell nicht verständlich. Richard J. Greenberg, Stuart J. Weidenschilling und einige ihrer Mitarbeiter vom Institut für Planetenwissenschaften und von der Universität von Arizona in Tucson gingen das Problem im Jahr vor der Konferenz in Kona an. Sie schlugen als Erklärung vor, daß der Materiering quasi als Filter wirkte: Die Gesteinsanteile einfallender Materiebrocken wären demnach leicht zerfallen und in den Ring integriert worden, während die metallischen Anteile bis zur Erde durchgedrungen seien. Über die Effizienz dieses Prozesses wurde viel diskutiert; viele Forscher zweifelten daran, daß einfallende Himmelskörper wirklich in Kern- und Mantelmaterial hätten aufgetrennt werden können.

Zwar vermag die Doppelplaneten-Hypothese zu erklären, daß Erde und Mond sich im Verhältnis der Sauerstoff-Isotope ähneln, aber nicht, daß ihre Konzentrationen an flüchtigen und refraktären Substanzen so unterschiedlich sind. Entscheidender ist jedoch, daß auch gegen sie der heutige Drehimpuls des Erde-Mond-Systems spricht, daß also ein Erdentag 24 Stunden dauert – dies ist schneller, als aufgrund einfacher Zuwachsmodelle zu erwarten wäre; und unklar bleibt, warum der postulierte Ring so schnell rotieren sollte, daß er in einer Erdumlaufbahn bleiben konnte.


Vom Außenseiter zum Favoriten: die Kollisionstheorie

Während der Vorbereitung der Tagung in Kona fragte ich mich, welche neuen Argumente die Verfechter dieser hoffnungslosen Theorien dieses Mal vorbringen würden. Wohl wurden tatsächlich weitere Modifikationen unterbreitet; doch waren wir alle überrascht von der Begeisterung über eine lange Zeit unbeachtet gebliebene Hypothese – die Kollisionstheorie. Am meisten erstaunt war wohl Hartmann, einer ihrer Urheber. Gegen Ende der Tagung war man sich weitgehend einig: Ein riesiger Himmelskörper muß in die noch junge Erde eingeschlagen sein und das Material, aus dem sich schließlich der Mond bildete, herausgeschleudert haben (Bild 2d).

Ein solches Szenario hatten Hartmann und sein Kollege Donald R. Davis bereits 1975 erwogen. Sie hatten untersucht, wie sich Planeten aus kleineren Materiebrocken bilden und dabei festgestellt, daß zahlreiche große Himmelskörper – zum Teil von der Größe des Mars – in die Nähe der Erde gelangt sein dürften. Bei direkter Kollision wären Trümmermassen bis in eine Erdumlaufbahn geschleudert worden und hätten das Rohmaterial für die Bildung des Mondes geliefert. Alastair G.W. Cameron vom Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik in Cambridge (Massachusetts) und William R. Ward vom Jet Propulsion Laboratory in Pasadena (Kalifornien) schlugen ein Jahr später dasselbe Modell unabhängig davon vor, als sie eine Lösung für das Drehimpulsproblem suchten; sie beschrieben auch, wie das Material in eine Umlaufbahn gelangt sein könnte, ohne auf die Erde zurückzufallen.

Die Grundidee ist sogar noch 30 Jahre älter. Zwei Pioniere der Mondwissenschaften, Ralph B. Baldwin von der Oliver Machinery Company in Grand Rapids (Michigan) und Don E. Wilhelms vom Geologischen Dienst der USA in Menlo Park (Kalifornien) haben herausgefunden, daß der Geologe Reginald A. Daly von der Harvard-Universität in Cambridge bereits 1946 vermutete, der Mond sei bei einem streifenden Zusammenprall eines planetengroßen Objekts mit der Erde entstanden. Er beschrieb die Grundzüge der Kollisionstheorie in einer (trotz einiger Fehler) fundierten Veröffentlichung, die indes völlig unbeachtet blieb. Aber selbst wenn viele Forscher sie gelesen hätten, wäre diese Vorstellung vermutlich verworfen worden; denn damals hatte man noch nicht erkannt, daß Kollisionen bei der Bildung von Planeten eine wichtige Rolle spielten.

Hingegen gilt die Kollisionstheorie auch seit der Konferenz in Kona bis heute unangefochten als die wahrscheinlichste Erklärung für die Entstehung des Mondes. Mit ihr lassen sich mehr empirische Befunde erklären als mit anderen Hypothesen: So gibt es diesem Modell zufolge im Mondinnern deshalb kaum metallisches Eisen, weil der Kern des einschlagenden Himmelskörpers in der Erde steckengeblieben ist und der Mond aus den silikatischen Anteilen beider Kollisionspartner gebildet wurde; und das unterschiedliche Verhältnis von Eisen- zu Magnesiumoxid in Erde und Mond ist darauf zurückzuführen, daß das lunare Gestein zumeist aus dem einschlagenden Körper stammt (man nimmt an, daß er weniger Eisenoxid enthielt als die Erde).

Die ungeheure Wärmeentwicklung bei der Kollision ließ das Mondmaterial buchstäblich ausdörren – nicht nur Wasser, sondern alle flüchtigen Elemente und Verbindungen verdampften. Demgegenüber stieg der Anteil an refraktären Substanzen, denn sie kondensierten beim Abkühlen als erste und wurden in den sich bildenden Mond eingelagert. Die Verhältnisse der Sauerstoff-Isotope von Mond und Erde sind gleich, weil die Erde und der aufprallende Körper in derselben Region des sich entwickelnden Sonnensystems entstanden waren. Schließlich läßt sich auch das schwierigste Problem, der Drehimpuls des Erde-Mond-Systems, verstehen: Das etwa marsgroße Objekt muß die Erde seitlich getroffen und dadurch ihre Rotationsgeschwindigkeit auf den heutigen Wert erhöht haben.

Besonders befriedigend an dieser Theorie ist, daß eine solch gigantische Kollision sich als natürliche Folge der Planetenentstehung ergeben haben kann und man keine außergewöhnlichen oder eigens für diesen Zweck konstruierten Annahmen einführen muß. Vielleicht war ein solcher Treffer nicht einmal ein Einzelfall im Sonnensystem – mit ähnlich kolossalen Einschlägen erklären Planetenwissenschaftler inzwischen die Zusammensetzung des Merkur und die starke Achsneigung des Uranus gegenüber seiner Bahnebene. Und im nachhinein brauchen wir derart urgewaltige Ereignisse in der Frühgeschichte unseres kosmischen Archipels auch nicht als katastrophal zu interpretieren: Ohne den irdischen Trabanten gäbe es keine ausgeprägten Gezeiten der Weltmeere; die Erde würde sich langsamer drehen, so daß ein Tag vielleicht – wie auf der Venus – ein ganzes Jahr dauerte, und die Entwicklung des Lebens bis zum Menschen hätte vermutlich gar nicht stattgefunden.


Ein allumfassendes Magmameer

Die materielle Ausbeute der Apollo-Missionen ermöglichte zudem, Aufbau und Entwicklung des Mondes abzuleiten. Sein Äußeres scheint von Vorgängen in seinem Innern mitgeprägt worden zu sein, wenn auch in viel geringerem Maße als das der Erde. Die oberste Sphäre des Kugelkörpers war offensichtlich einst eine mehrere hundert Kilometer mächtige Magmahülle, die an der Bildung von Kruste und Mantel beteiligt war und die umformenden Prozesse beschleunigte. Diese Theorie vom Magmameer spielt seit der Untersuchung der ersten Bodenproben von Apollo 11 in der Mondwissenschaft eine zentrale Rolle.

Die Mondfähre Eagle landete im Mare Tranquilitatis, dem Meer der Ruhe, einer jener großen, dunkelgrauen Oberflächenformationen, die dem Erdtrabanten ein Gesicht aufzuprägen scheinen. Diese Maria sind die Überreste riesiger Lavaströme, die vor Jahrmilliarden aus dem Inneren emporquollen.

Die von den Astronauten Neil Armstrong und Edwin Aldrin gesammelten Proben bestehen hauptsächlich aus titanreichem Basaltgrundgestein. Sie brachten aber auch Regolith mit, ein Konglomerat aus losen Gesteinstrümmern, welche bei Meteoriteneinschlägen hochgeschleudert worden waren. Das ist gleichsam das Erdreich des Mondes und bedeckt den größten Teil seiner Oberflä-che in einer Mächtigkeit bis zu zwanzig Metern.

Die Regolithproben enthalten einen geringen Anteil weißer Steinchen und Splitter, die hauptsächlich aus Plagioklas oder Kalknatronfeldspat – Calcium-Natrium-Aluminiumsilicat – bestehen. Einige Gesteine, die Anorthosite, sind nahezu reiner Kalkfeldspat. John A. Wood vom Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik und Joseph V. Smith von der Universität Chicago (Illinois) vermuteten unabhängig voneinander, daß diese ungewöhnlichen, den Regolith durchsetzenden Teilchen durch Meteoriteneinschläge aus den weit entfernten Hochländern oder Terrae (den hellen Gebieten des Mondes) an ihren Fundort geschleudert worden seien; demnach müsse das Gestein der Hochländer reich an Feldspat sein. Dies wurde von Apollo 16 und einigen der in Mondhochländern gelandeten unbemannten Sonden bestätigt. Auch chemische Fernanalysen – etwa anhand der Absorptionsbanden des vom Mond reflektierten Lichts – aus den Kommandokapseln von Apollo 15 und Apollo 16 sowie per Teleskop von der Erde aus, wie sie mein Kollege B. Raymond Hawke und seine Mitarbeiter von der Universität von Hawaii in Honolulu vornahmen, bestätigten diese Hypothese.

Wood und Smith begnügten sich jedoch nicht mit dieser Erklärung. Sie wollten wissen, warum die Mondhochländer so reich an Plagioklas sind. Möglicherweise hat sich dieses Mineral an der Oberfläche flüssigen Magmas angesammelt – so wie die Schlacke auf geschmolzenem Eisen. Ähnliches findet auf der Erde in großen Magmamassen statt, den sogenannten geschichteten Intrusionen, die sich durch das Absinken schwerer und das Aufsteigen leichter Minerale bilden. Wood und Smith zufolge schwamm auch der lunare Feldspat auf und erstarrte schließlich zu Krustengestein; schwere Minerale aus Eisen- und Magnesiumsilicaten (Olivin und Pyroxen) sanken hingegen ab und bildeten den Mantel. Wenn nun aber alle Mondhochländer reich an Feldspat seien, so mutmaßten die beiden Wissenschaftler weiter, müsse das flüssige Ausgangsmaterial allgegenwärtig gewesen sein (Bild 3). Diese Vorstellung von einem steinernen Urozean wäre vor den Apollo-Missionen nicht denkbar gewesen.

Gestützt wird sie durch eine scheinbar nicht damit im Zusammenhang stehende Gesteinsgruppe, die Basalte der Maria. Diese sind reich an Olivin und Pyroxen – den beiden schweren Mineralen, die der Hypothese zufolge im Magmameer absanken. Sie gelangten vor etwa drei Milliarden Jahren in Form von Lava an die Oberfläche. Auffällig ist nun, daß ihnen das Spurenelement Europium fehlt, während es im Plagioklas der Mondhochländer reichlich vorhanden ist – und zwar entspricht der Überschuß genau der Verarmung im Mare-Basalt. Das deutet auf eine Entmischung im Magmameer, wobei sich in dem zuerst verfestigenden Krustenmaterial mehr Europium ansammelte.

Wenn aber ein solcher mondumspülender Ozean existierte – woher stammte dann die zur Verflüssigung des Gesteins erforderliche Energie? Ein Teil wurde möglicherweise bei der Bildung des Kerns freigesetzt, denn beim Absinken von metallischem Eisen entsteht Wärme. Und zusätzliche Energie stammte wohl aus dem Einschlag des Himmelskörpers auf die Erde; nach eingehenden Untersuchungen kamen Geophysiker zu dem Schluß, daß bis zu 65 Prozent des Materials beider Kollisionspartner in Magma umgewandelt worden sein müssen.

Die Theorie vom Magmameer wird inzwischen auch auf Planeten angewandt und verändert die Vorstellungen von Entwicklung und Frühgeschichte des Sonnensystems generell. Im Labor versucht man zu klären, wie im Magma Minerale entstehen und wie Spurenelemente sich zwischen noch flüssiger und kristallisierender Phase aufteilen. Andere Wissenschaftler denken über Vorgänge nach, die in einem Magmameer auf der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren stattgefunden haben könnten (gab es hier einen solchen glutflüssigen Urozean, haben geologische Prozesse allerdings inzwischen alle Spuren davon ausgelöscht). Ich selbst habe Indizien dafür gefunden, daß einige Asteroiden, vor allem solche mit Eisenkern, in ihrer Frühgeschichte auch eine Magmahülle hatten. All diese Überlegungen und Erkenntnisse sind einfallsreichen Forschern zu verdanken, die einige Dutzend weißer Brocken in einem schwarzgrauen Haufen Mondgesteins intensiv untersuchten.

Trotz allem stehen einige Experten der Magmameer-Theorie nach wie vor skeptisch gegenüber. Ihr Gegenargument sind die an Plagioklas armen Hochländer des Mondes. Eine endgültige Klärung könnte nur eine umfassende Untersuchung aus einer Umlaufbahn heraus bringen. Die NASA plant aber vorerst keine Missionen zur Erforschung des Erdtrabanten. Vor kurzem hat jedoch die Sonde Clementine, die das US-Verteidigungsministerium zum Test hochentwickelter Sensoren starten ließ, die spektroskopische Vermessung des Mondes abgeschlossen. Möglicherweise lassen sich aus den Daten schlüssige Informationen über den Gehalt an Plagioklas in der Mondkruste gewinnen.


Die Zeit des Mond-Kataklysmus

Im folgenden Entwicklungsschritt wurde die Oberfläche des Mondes durch Meteoriteneinschläge geprägt. Lange hat man die Bedeutung dieses Prozesses, dem auch heute noch alle Planeten – wie jüngst erst Jupiter – unterliegen, unterschätzt. Vor Beginn der Raumfahrt meinten manche Wissenschaftler gar, die Krater und Becken auf dem Mond seien vulkanischen Ursprungs.

Mit den Apollo-Missionen jedoch wuchs das Wissen über solche kosmischen Bombardements und ihre Auswirkungen enorm. Geologen bewiesen, daß viele kreisförmige Strukturen auf der Erde ebenfalls durch Einfall großer Körper entstanden sind, und ermittelten deren wichtigste Merkmale. Andere Forscher untersuchten die Kraterbildung am kleinen Modell, indem sie mit Spezialgewehren Projektile mit Geschwindigkeiten von mehreren Kilometern pro Sekunde auf geeignete Ziele schossen.

Wichtige theoretische Grundlagen hatte bereits der amerikanische Geologe Grove K. Gilbert (1843 bis 1918) unterbreitet. Im Jahre 1893 veröffentlichte er unter dem Titel "The Face of the Moon" ("Das Gesicht des Mondes") das erste geologische Standardwerk über den Erdtrabanten; zum einen legte er dar, daß es sich bei den Maria um riesige Lavaebenen handele, zum anderen, warum die Krater nicht vulkanischen Ursprungs sein könnten. Auch dies Werk blieb – ähnlich wie Dalys Arbeit zum Ursprung des Mondes – über Jahrzehnte unbeachtet. Erst zu Beginn der vierziger Jahre, als Baldwin mit der Untersuchung des Mondes begann, tauchte die Idee von der Kraterbildung als Folge von Einschlägen wieder auf. Indes erfuhr Baldwin von Gilberts Buch erst 1948 durch einen Brief von Daly.

Die Mondhochländer sind besonders arg mitgenommen, was sich auch an den dort geborgenen Proben zeigt. Die meisten sind Breccien – aufgeschmolzene, vermischte, zertrümmerte und von Stoßwellen komprimierte Trümmergesteine. Überraschend ist ihr Alter. Im Jahre 1974 wiesen Fouad Tera, Dimitri A. Papanastassiou und Gerald J. Wasserburg vom California Institute of Technology in Pasadena darauf hin, daß sich bei Gestein aus den Hochländern zwei Zeitpunkte klar unterscheiden lassen: Der erste, vor etwa 4,4 Milliarden Jahren, markiert demnach das Ende der primären Differenzierung des Mondes, als das Auskristallisieren des Magmameeres im wesentlichen abgeschlossen war. Den zweiten, vor etwa 3,9 Milliarden Jahren, kennzeichnet eine Phase heftigen Bombardements, das jegliche Spur früherer Einschläge tilgte und das Alter der Oberflächengesteine gleichsam auf null zurücksetzte; sie nannten dieses Ereignis "Mondkataklysmus." Ihrer Vorstellung nach sind viele Becken und großen Krater innerhalb einer kurzen Zeitspanne vor etwa 4 bis vor 3,85 Milliarden Jahren entstanden (Bild 5). Das Alter fast aller datierten Gesteinsproben sowohl des Apollo-Programms als auch der sowjetischen Luna-20-Mission stimmt damit tatsächlich überein.

Manche jedoch zweifelten die Kataklysmus-Hypothese an. So meinte Baldwin, eine Ballung von Einschlagsereignissen werde nur durch die großräumige Verteilung weggeschleuderter Gesteinstrümmer vorgetäuscht, denn die meisten Bruchstücke stammten von einem riesigen Einschlag, bei dem das Mare Imbrium entstand (ein 1300 Kilometer weites Becken, das sozusagen das rechte Auge des Mondgesichts bildet). Seiner Ansicht nach haben sich zudem die höhergelegenen Bereiche der großen Becken allmählich gesenkt, was auf ein Alter von 3,95 bis möglicherweise 4,3 Milliarden Jahren hinweisen könnte.

Hartmann wiederum führt die Umwälzungen vor 3,9 Milliarden Jahren auf Kollisionen mit den letzten umherschwirrenden Urmaterie-Überresten aus der Zeit der Planetenentstehung zurück. Älteres Gestein sei deswegen nicht gefunden worden, weil es durch die unablässigen Einschläge immer wieder erhitzt und seine Altersmerkmale dadurch wiederholt gelöscht wurden – zuletzt vor 3,9 Milliarden Jahren; die frühere Geschichte sei gleichsam hinter einer Steinmauer verborgen.

Die meisten Kollegen ließen sich von Hartmanns und Baldwins Argumenten überzeugen. Deshalb wurde die Kataklysmus-Theorie zunächst verworfen oder blieb zumindest unbeachtet.

Erst 1990 brachte Graham Ryder vom Institut für Mond- und Planetenwissenschaften in Houston (Texas) sie erneut vor, wobei er drei Argumente anführte. Zum einen soll sich das Alter von Gesteinen nicht ohne weiteres tilgen lassen. Neueren Untersuchungen zufolge trifft das lediglich für solche zu, die beim Einschlag schmelzen, und vielleicht noch auf einige wenige andere Bestandteile. Die meisten Gesteine werden bei Meteoriteneinschlägen vielmehr einfach nur zermalmt und ohne wesentliche Erwärmung fortgeschleudert.

Gegen Hartmanns Steinmauer-Konzept führt er als Beispiel Lavaproben aus der Apollo-14-Sammlung an, deren Alter 3,9 bis 4,3 Milliarden Jahre beträgt. Sie belegen, daß ursprüngliche Altersmerkmale selbst dann erhalten bleiben können, wenn Gesteine wegen ihrer Lage an der Mondoberfläche den Störungen am stärksten ausgesetzt sind.

Ryders dritter Einwand richtet sich dagegen, daß alle Proben das Alter des riesigen Imbriums-Beckens widerspiegeln sollten. Auch die meisten anderen Wissenschaftler halten inzwischen diese Vorstellung für zu stark vereinfacht, denn in den Hochländern finden sich zahlreiche chemisch unterschiedliche, durch Meteoriteneinschläge geschmolzene Gesteinsgruppen – ein Hinweis auf mehrere aufeinanderfolgende Kollisionen. Das Alter dieser Gesteine liegt vornehmlich zwischen 3,85 und 3,95 Milliarden Jahren. Ungeklärt bleiben weiterhin die genaue Zahl der korrekt datier-ten Ereignisse sowie die Frage, wieviele Einschläge eigentlich einen Kataklysmus ausmachen.

Der Dissens zwischen Kataklysmus- und Steinmauer-Hypothese ist auf unterschiedliche Betrachtungsweisen des Mondes zurückzuführen: Ryder vertraut den Daten aus den Mondgesteinsproben; Hartmann hat vor allem Prozesse der Planetenbildung im Sinn. Um die beiden Vorstellungen in Einklang zu bringen, brauchte man mehr Untersuchungsmaterial vom Mond. Besonders nützlich wären Proben von Ablagerungen des durch Einschläge aufgeschmolzenen Gesteins in den großen Becken. Ihre Datierung wäre eine direkte, unzweideutige Altersangabe für den jeweiligen Fundort.


Einfluß auf der Erde

Höchstwahrscheinlich war das Bombardement, das die Oberfläche des Mondes prägte, kein Sonderfall. Indizien dafür sind überall im inneren Sonnensystem zu finden. Auf Mars und Merkur – der dem Mond sehr ähnelt – gibt es ebenfalls alte Kratergebiete. (Venus hingegen ist so aktiv, daß es keine derartigen Spuren aus ihrer Frühzeit mehr geben kann.)

Auch die Erde wurde vermutlich von vielen kosmischen Irrläufern getroffen. Anhand der Mondkrater lassen sich ihre Zahl und Größe abschätzen. Auf dem Erdtrabanten gibt es 35 solcher Mulden mit einem Durchmesser von mehr als 300 Kilometern; selbst wenn nur die Hälfte dieser Einschlagsbecken zwischen 3,85 und 4 Milliarden Jahre alt ist, müßte die Erde im selben Zeitraum von mehr als 300 vergleichbaren Objekten getroffen worden sein. (Aufgrund der größeren Querschnittsfläche und Masse ist bei der Erde mit zwanzigmal so vielen Einschlägen zu rechnen.) Zwischen 15 und 20 dieser Materieballungen müßten dabei so groß gewesen sein, daß sie riesige Becken von mehr als 2500 Kilometern Größe aushoben. Dies entspricht etwa dem Durchmesser des größten Mondbeckens und ungefähr der Strecke Paris-Moskau.

Die Folgen solch gewaltiger Einschläge müssen dramatisch gewesen sein. Jedes Muster der Konvektionsströmungen im Erdmantel und somit der Plattentektonik in der Erdfrühzeit wäre verändert worden. Das unter dem Aufprall extrem schnell freigesetzte heiße Mantelmaterial wäre wohl an der Erdoberfläche durch Reduzierung des Drucks unverzüglich geschmolzen und hätte sich in mächtigen Lavaströmen ergossen. In den Kratern hätte sich vermutlich nach und nach erodiertes Gestein von den Wänden und von dem sich oft bildenden Zentralberg abgelagert; aus dieser Sedimentation könnten womöglich die ersten Kontinente entstanden sein.

In dieser Zeit wäre Leben auf der Erde kaum möglich gewesen. Bei einigen unmäßig wuchtigen Einschlägen könnte alles flüssige Wasser verdampft sein, wobei sicherlich sämtliche Organismen vernichtet worden wären. Christopher F. Chyba vom Ames-Forschungszentrum der NASA in Moffett Field (Kalifornien) rechnet sogar mit mehreren solch urgewaltigen Ereignissen, bevor das Meteoriten-Bombardement vor etwa 3,8 Milliarden Jahren stark nachließ. Erst zu diesem Zeitpunkt konnte die Evolution einsetzen; und tatsächlich gibt es deutliche Hinweise darauf, daß die ersten Organismen vor etwa 3,6 Milliarden Jahren auftraten. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß selbstreproduzierende Moleküle sich innerhalb kurzer Zeit entwickeln können, so daß die Spanne von 200 Millionen Jahren nach Ende des verheerenden und – falls Leben doch schon vorher existiert haben sollte – die Erde sterilisierenden Materieeinfalls angemessen zu sein scheint.

Gewaltige Einschläge werden auch als Ursache für mehrere Massensterben auf der Erde vermutet. Zumindest für den Übergang von der Kreidezeit zum Tertiär vor rund 65 Millionen Jahren, bei dem die Hälfte aller damals lebenden Arten (darunter die letzten Dinosaurier) dahinschwand, scheint dies zuzutreffen. Die wichtigsten Indizien dafür sind eine weltweite Anreicherung des Erdbodens mit Iridium zu diesem Zeitpunkt sowie das Vorkommen von Quarzen und Feldspäten, die durch Stoßwellen-Metamorphose gezeichnet sind (Spektrum der Wissenschaft, Juni 1990, Seite 108, und Dezember 1990, Seite 52). Eine Forschergruppe um Alan R. Hildebrand von der Universität von Arizona und Virgil L. Sharpton vom Institut für Mond- und Planetenwissenschaften hat auch den mutmaßlichen Einschlagort ausfindig gemacht: Der Krater, genannt Chicxulub, liegt vollständig begraben unter Sedimenten, die heute zum Teil die Halbinsel Yucatán in Mexiko bilden. Hinweise darauf gaben 1981 Schwerkraftuntersuchungen und Bohrungen der staatlichen mexikanischen Ölgesellschaft Pemex. Das ursprüngliche Becken hat einen Durchmesser von 300 Kilometern und ist 65 Millionen Jahre alt.

Manche Wissenschaftler halten solche Massensterben nicht für unwahrscheinliche, sondern für regelmäßig wiederkehrende Ereignisse. Allein durch Untersuchung von Strukturen der Erde wird sich für diese Annahme kein Beweis finden lassen. Außerdem gibt es Unsicherheiten bei der Altersbestimmung von Fossilien, und zu wenige Krater sind bisher exakt datiert. Ohne eine genaue zeitliche Bestandsaufnahme jedoch ist eine Suche nach einer Periodizität sinnlos.

Möglicherweise können wir von der Mondoberfläche mehr erfahren, die auch mit Kratern aus den letzten 600 Millionen Jahren geradezu übersät ist. Friedrich Hörz vom Johnson-Raumflugzentrum der NASA schätzt, daß rund 5000 von ihnen einen Durchmesser von mehr als fünf Kilometern haben. Selbst regional liegen sie dicht an dicht; beispielsweise lassen sich in einem Umkreis von 100 Kilometern im Mittel etwa 500 Krater finden, deren Durchmesser mehr als einen Kilometer beträgt. Eine genaue Altersbestimmung wäre freilich nur anhand von Bodenproben möglich.

Zur Vervollständigung unserer Kenntnisse über den Ursprung und die Frühgeschichte der Erde müssen wir also zu ihrem Trabanten zurückkehren. Die Frage nach dessen Ursprung scheint gelöst, wobei viele Details jedoch noch nicht zufriedenstellend geklärt sind. Die Existenz eines Magmameeres ist noch nicht für alle Experten überzeugend nachgewiesen worden. Es gilt auch, den chemischen Aufbau des Mondes umfassend zu erkunden; dazu wären spektroskopische Messungen aus Umlaufbahnen und seismische Studien direkt auf der Mondoberfläche erforderlich. Weitere Bodenproben von ausgewählten Gebieten in den Hochländern könnten die chemischen Vorgänge erhellen, die sich in einem so komplizierten Gebilde wie einem Magmameer abgespielt haben dürften. Die Chronik des Meteoriten-Bombardements schließlich wird sich nur anhand von Proben aus dem Inneren von Kratern schreiben lassen.

Neue Mondmissionen brauchten nicht so kostspielig und technisch aufwendig zu sein wie das Apollo-Programm; automatische Sonden könnten die erforderlichen Arbeiten durchführen. Aber nur mit solchen Exkursionen haben wir eine Chance, die Einzelheiten der Entstehung und Entwicklung von Mond und Erde wie auch letztlich die Stellung des Menschen im Sonnensystem wirklich zu verstehen.

Literaturhinweise

- Lunar Source Book: A User's Guide to the Moon. Herausgegeben von Grant Heiken, David Vaniman und Bevan M. French. Cambridge University Press, 1991.

– To a Rocky Moon: A Geologist's History of Lunar Exploration. Von Don E. Wilhelms. University of Arizona Press, 1993.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1994, Seite 58
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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