Eine neu entdeckte massive Anomalie tief im Erdinneren könnte ein Überbleibsel der Kollision vor etwa 4,5 Milliarden Jahren sein, aus der der Mond entstand. Zu diesem Schluss kommt eine neue Studie, die auf Methoden der numerischen Strömungsdynamik beruht, die von Professor Deng Hongping vom Shanghai Astronomical Observatory (SHAO) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurden, und die am 2. November in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wird.
Die vorherrschende Theorie besagt, dass es in der Spätphase der Erdentwicklung, vor etwa 4,5 Milliarden Jahren, zu einer massiven Kollision, einem so genannten „Rieseneinschlag“, zwischen der Urerde (Gaia) und einem marsgroßen Protoplaneten namens Theia kam.
Es wird angenommen, dass sich der Mond aus den Trümmern dieser Kollision gebildet hat.
Numerische Simulationen haben ergeben, dass der Mond wahrscheinlich hauptsächlich Material von Theia geerbt hat, während Gaia aufgrund seiner viel größeren Masse nur geringfügig durch Material von Theia kontaminiert wurde. Da es sich bei Gaia und Theia um relativ unabhängige Gebilde handelte, die aus unterschiedlichen Materialien bestanden, sollten der Mond (der von Theia-Material dominiert wird) und die Erde (die von Gaia-Material dominiert wird) der Theorie nach eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.
Hochpräzise Isotopenmessungen ergaben jedoch später, dass die Zusammensetzungen von Erde und Mond bemerkenswert ähnlich sind, was die konventionelle Theorie der Mondentstehung in Frage stellt. In der Folge wurden mehrere verfeinerte Modelle für den Rieseneinschlag vorgeschlagen, die jedoch alle mit Problemen zu kämpfen hatten. Um die Theorie der Mondentstehung weiter zu verfeinern, begann Professor Deng im Jahr 2017 mit der Erforschung der Mondentstehung. Er konzentrierte sich auf die Entwicklung einer neuen Methode der numerischen Strömungsdynamik namens Meshless Finite Mass (MFM), die sich durch eine genaue Modellierung von Turbulenzen und Materialmischung auszeichnet. Mithilfe dieses neuartigen Ansatzes und zahlreicher Simulationen des Rieseneinschlags fand Professor Deng heraus, dass die frühe Erde nach dem Einschlag eine Mantelschichtung aufwies, wobei der obere und der untere Mantel unterschiedliche Zusammensetzungen und Zustände aufwiesen.
Der obere Mantel bestand aus einem Ozean aus Magma, der durch eine gründliche Vermischung von Gaia- und Theia-Material entstand, während der untere Mantel weitgehend fest blieb und die Materialzusammensetzung von Gaia beibehielt. „Frühere Forschungen hatten sich zu sehr auf die Struktur der Trümmerscheibe (des Vorläufers des Mondes) konzentriert und die Auswirkungen der Riesenkollision auf die frühe Erde übersehen“, so Deng in einer Erklärung.
Nach Gesprächen mit Geophysikern an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich erkannten Professor Deng und seine Mitarbeiter, dass diese Schichtung des Erdmantels bis zum heutigen Tag erhalten geblieben sein könnte, was sich in globalen seismischen Reflektoren im mittleren Erdmantel (etwa 1.000 km unter der Erdoberfläche) widerspiegelt.
Laut einer früheren Studie von Professor Deng könnte der gesamte untere Erdmantel immer noch von gaianischem Material aus der Zeit vor dem Einschlag dominiert werden, das eine andere elementare Zusammensetzung (einschließlich eines höheren Siliziumgehalts) als der obere Erdmantel aufweist. „Unsere Ergebnisse stellen die traditionelle Vorstellung in Frage, dass der Rieseneinschlag zur Homogenisierung der frühen Erde geführt hat“, so Professor Deng. „Stattdessen scheint der gigantische Einschlag, der den Mond formte, der Ursprung der frühen Heterogenität des Erdmantels zu sein und den Ausgangspunkt der geologischen Entwicklung der Erde über 4,5 Milliarden Jahre zu markieren.
Ein weiteres Beispiel für die Heterogenität des Erdmantels sind zwei anomale Regionen, die so genannten Large Low Velocity Provinces (LLVP), die sich über Tausende von Kilometern an der Basis des Erdmantels erstrecken. Die eine liegt unter der afrikanischen tektonischen Platte und die andere unter der pazifischen tektonischen Platte. Wenn seismische Wellen durch diese Gebiete laufen, wird die Wellengeschwindigkeit erheblich reduziert. LLVPs haben wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung des Erdmantels, die Trennung und Zusammenballung von Superkontinenten und die tektonischen Plattenstrukturen der Erde. Ihr Ursprung bleibt jedoch ein Rätsel.
Dr. Yuan Qian vom California Institute of Technology und seine Mitarbeiter schlugen vor, dass LLVPs aus einer kleinen Menge Theian-Material entstanden sein könnten, das in Gaias unteren Erdmantel gelangte. Daraufhin luden sie Professor Deng ein, die Verteilung und den Zustand des theianischen Materials in der Tiefe der Erde nach dem Rieseneinschlag zu untersuchen.
Durch eine eingehende Analyse früherer Simulationen von Rieseneinschlägen und durch neue, genauere Simulationen entdeckte das Forschungsteam, dass eine beträchtliche Menge von Theias Mantelmaterial, etwa 2 % der Erdmasse, in Gaias unteren Mantel gelangte. Professor Deng lud daraufhin den Astrophysiker Dr. Jacob Kegerreis ein, diese Schlussfolgerung mit Hilfe traditioneller Methoden der geglätteten Partikelhydrodynamik (SPH) zu bestätigen.
Das Forschungsteam berechnete auch, dass dieses Theia-Mantelmaterial, ähnlich wie Mondgestein, mit Eisen angereichert ist und damit dichter ist als das umgebende Gaia-Material. Infolgedessen sank es rasch auf den Boden des Mantels und bildete im Zuge der anhaltenden Mantelkonvektion zwei markante LLVP-Regionen. Diese LLVP sind über 4,5 Milliarden Jahre geologischer Entwicklung hinweg stabil geblieben. Die Heterogenität im tiefen Mantel, sowohl in den Reflektoren in der Mantelmitte als auch in den LLVPs an der Basis, deutet darauf hin, dass das Erdinnere alles andere als ein einheitliches und „langweiliges“ System ist.
Tatsächlich können kleine Mengen tiefliegender Heterogenität durch Mantelplumes (zylindrische thermische Aufwinde, die durch Mantelkonvektion verursacht werden) an die Oberfläche gebracht werden, so wie sie wahrscheinlich Hawaii und Island gebildet haben.
So haben Geochemiker, die das Isotopenverhältnis von Edelgasen in isländischen Basaltproben untersuchten, festgestellt, dass diese Proben Komponenten enthalten, die sich von typischen Oberflächenmaterialien unterscheiden. Diese Komponenten sind Überbleibsel einer Heterogenität im tiefen Erdmantel, die mehr als 4,5 Milliarden Jahre zurückliegt, und dienen als Anhaltspunkte für das Verständnis des frühen Zustands der Erde und sogar der Entstehung der nahen Planeten.
Laut Dr. Yuan „können wir durch die genaue Analyse einer größeren Anzahl von Gesteinsproben in Verbindung mit verfeinerten Modellen von Rieseneinschlägen und Modellen der Erdentwicklung Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung und die Orbitaldynamik der ursprünglichen Erde, Gaia und Theia ziehen. Dadurch können wir die gesamte Entstehungsgeschichte des inneren Sonnensystems einschränken.
Quelle: Agenturen
