Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften Vorträge . N 365 Herausgegeben von der Rheinisch-Westfälischen Akademie der Wissenschaften DIETER STÖFFLER Geologie der terrestrischen Planeten und Monde HANS VOLKER KLAPDOR Der Beta-Zerfall der Atomkerne und das Alter des Universurns Westdeutscher Verlag 340. Sitzung am 1. April1987 in Diisseldod CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek StilЮcr, Dieter: Geologie det terrestrischen Planeten und Monde / Dietet Stбfller_ Der Beta-ZeriaU det Аtoшkern. und das Alш des Universums / нат Volker Кlapdor_ -Opladen: Westdt. Verl., 1989 (УоrШge / Rheinisch-Westfalische Akademi. der Wissenschaften: Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften; N 365) ISBN 978-3-663-01745-5 ISBN 978-3-663-01744-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-01744-8 т: Кlapdor, Нan. У.: Der Beta-ZeriaU der Аtoшkете und das Alter des Univer sums; Rh.inisch-Westfalische Akademi. der Wissenschaften (Diisseldorf): Vor triige / Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften Der Westdeutsche Verlag ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann. © 1989 Ьу Westdeutscher Verlag GmbH Opladen Herstellung: Westdeutscher Verlag ISSN 0066-5754 ISBN 978-3-663-01745-5 Inhalt Dieter StöfJler, Münster Geologie der terrestrischen Planeten und Monde 1. Inhalt und Aufgabe der Planetologie ............................. 7 2. Aufbau des Sonnensystems ...................................... 8 3. Methoden der Exploration und Analyse der Planeten und Monde.... 10 4. Geologische Grundprozesse auf den terrestrischen Planeten und Monden 11 5. Geologische Formationen der planetaren Oberflächen .............. 15 a) Impaktformationen .......................................... 15 b) Vulkanische Formationen .................................... 34 c) Tektonische Erscheinungen ................................... 34 d) Fluviatile, glaziale und äolische Formationen ................... 35 6. Gesteine und Mineralien der planetaren Krusten ................... 36 7. Der innere Aufbau der terrestrischen planetaren Körper ............ 39 8. Vergleichende geologische Entwicklungsgeschichte der terrestrischen Planeten und des Mondes ....................................... 43 9. Ursprung und Entstehung der terrestrischen planetaren Körper ...... 47 a) Solarnebel und Kondensation ................................. '47 b) Akkretion und Kollisionsgeschichte ........................... 52 Literatur ........................................................ 63 Diskussionsbeiträge Professor Dr.-Ing. Ro/f Staufenbiel; Professor Dr. rer. nat. Dieter StöfJler; Professor Dr. phil. nat. habil. Hermann Flohn; Professor Dr. rer. nat. Eckart Knel/er; Professor Dr. med. Ekkehard Grundmann; Professor Dr. rer. nat. Tasso Springer; Professor Dr. rer. nat., Dr. rer. nat. h. c. Ewald Wicke; Professor Dr.-Ing. Friedrich Eichhom; Professor Dr. rer. nat. Wemer Schreyer ................................................ 65 Hans Volker Klapdor, Heidelberg Der Beta-Zerfall der Atomkerne und das Alter des Universurns Vorwort ........................................................ 73 6 Inhalt 1. Einleitung: Schwache Wechselwirkung und Entwicklung des Univer- sums ........................................................ 73 2. Ein Durchbruch im Verständnis des p-Zerfalls neutronenreicher Kerne 80 3. Elementsynthese und das Alter des Universums .................. 88 3.1 Wo werden die schweren Elemente im Universum gebildet? .... 88 3.2 Produktionsraten der Kosmochronometer .................... 101 3.3 Neue Produktionsraten korrigieren das Alter des Universums ... 102 3.4 Vergleich mit anderen Altersbestimmungen ................... 107 4. Kosmologie .................................................. 108 4.1 Kosmologische Konstante A und Alter des Universums ........ 108 4.2 Die Dichte nicht-baryonischer dunkler Materie und die Neutrino- masse .................................................... 115 5. Zusammenfassung ............................................. 117 Literatur ....................................................... 120 Geologie der terrestrischen Planeten und Monde von Dieter Stö!fler, Münster 1. lnhalt und Aufgabe der Planetologie Die Erforschung der Eigenschaften, der zeitlichen Entwicklung und der Entste hung der Planeten und ihrer Satelliten als geologische Körper ist nicht ä1ter als zwan zigJahre. Geowissenschaftlich orientierte Planetenforschung - in ihrem Ursprung und ihrer Entwicklung unabdingbar an die Weltraumfahrt gebunden - steht in einer sehr engen Wechselbeziehung zur Raumfahrttechnik und ist in ihrem wissenschaft lichen Inhalt in hohem Ma&: interdisziplinär. Die "Geologie der Planeten und Monde"! beinhaltet jedoch nicht einfach eine Übertragung oder Ausdehnung der herkömmlichen Geowissenschaften auf das gesamte Sonnensystem. Vielmehr ist die "Planetologie" , wie dieses Fachgebiet am besten bezeichnet wird, eine eigenständige Wissenschaft, die in ihren Methoden, Inhalten und Zielen sehr deutlich von den traditionellen Geowissenschaften unterschieden ist. In der Planetologie kreuzen sich eine Vielzahl naturwissenschaftlicher Disziplinen, wie z. B. Astronomie, Astro physik, Aeronomie, Plasmaphysik, Kernphysik, Kosmochemie und nicht zuletzt natürlich die Geowissenschaften mit den Fächern Mineralogie, Geologie und Geo physik. Dabei erscheint die Erkenntnis bedeutsam, daB die Planetologie die tradi tionellen Geowissenschaften bereits heute sehr stark befruchtet und in Zukunft immer stärker befruchten wird. Die Planetologie hat beispielsweise erst ermöglicht, daB intelligente Fragen hinsichtlich globaler Aspekte der Entstehung der Erde und ihrer frühen Entwicklung heute gestellt werden können. Ein besonders auffallendes Element der Planetologie ist die Sprunghaftigkeit im Erkenntniszuwachs. Eine einzige Raumsonde, etwa die Voyager-Sonde, mit der das Satellitensystem des Jupiter erkundet wurde, hat dem Planetologen innerhalb weniger Stunden, Tage oder W ochen Einblick in eine völlig neue Welt verschafft, die vorher nahezu unbekannt war. Die Informationen über eine solche "neue Welt" erreichen uns nicht allmählich und in kleinen Portionen, wie dies bei der Erforschung der Erde über einen sehr langen Zeitraum hinweg sich vollwg, son- I Es ist heute international üblich, den Begriff "Geologie" als eine alIgemeine wissenschaftliche Diszi plin zu verstehen, die sich nicht mehr ausschiieBlich dem Wortsinn entsprechend mit der Erde beschäftigt, sondern mit allen festen Körpern des Sonnensystems, insbesondere mit den erdähnlichen, den sog. terrestrischen Platleten und Monden. 8 Dieter Stöff)er dern fast schlagartig in Form eines Gesamtbildes mit allerdings begrenzter Auf lösung der Details. Anders bei der geowissenschaftlichen Erforschung der Erde, wo der Weg von einer groBen Zabl kleinmaBstäblicher Einzelbefunde über viele Wissenschaftler-Generationen hinweg zu einem mehr oder weniger umfassenden Globalbild führte. Die Planetologie hingegen schreitet vom Globalbild zum Detail, was sich am Beispiel der Erforschung des Jupitermondes 10 besonders ein drucksvoll belegen läBt. Tafel I zeigt eine Bildfolge, die von einer der beiden Voyager-Sonden der NASA mit zunehmender Annäherung an 10 und daher mit zunehmender Bildauflösung registriert wurde. Die Voyager-Sonde entdeckte meh rere, zur Zeit des Vorbeifluges aktive Vulkane auf 10. Es darf bei diesen Bildern nicht übersehen werden, daB auBer fotografischen Aufnahmen zahlreiche physi kalische und chemische MeBdaten in bezug auf 10 gewonnen wurden. Typisch für die Methodik der Planetologie ist auch die Tatsache, daB die rezente geologische Aktivität, die bei einem kleinen Satelliten wie 10 sehr überraschend und einmalig ist, in einer vor dem Voyager-Flug publizierten Arbeit theoretisch vorausgesagt wurde. Demnach wird die erforderliche thermische Energie ausschlieBlich von der Gezeitenwechselwirkung zwischen Jupiter und 10 in Verbindung mit einer Resonanz in den U mlaufbahnen von 10 und Europa geliefert. 2. Aufbau des Sonnensystems Als Grundlage für die nachfolgende Diskussion über Aufbau, Entwicklung und Entstehung der Planeten und Satelliten solI zunächst der heutige Aufbau des gesamten Planetensystems in Erinnerung gerufen werden (Abb. 1). Im inneren Abb.l: Aufbau des Planetensysterns; der gröBte Teil der Satelliten ist nicht eingezeichnet (siehe Tabelle 1); die relativen heliozentrischen Abstände der Planeten sind nicht maBstabsgerecht gezeichnet; veränden nach [45] . ... '" c :::> o ëi '" :::> ~ '" :z: 0:: ~~'" :•':c>:":> ~.'". ~<~> • e · • • • "0 C 0 ~ Geologie der terrestrischen Planeten und Monde 9 Tabeile 1: Planeten und Satelliten des Sonnensystems; zahlreiche kleinere Satelliten der groBen Plane- ten sind nicht angegeben; auBer Vesta und Ceres existieren etwa 2000 Asteroiden > 30 km und mehrere zehmausend Asteroiden < 30 km Durchmesser; die Zahl der beobachteten Kometen liegt bei etwa 600. Körper Durchmesser Dichte Mittlere Entfernung Planet / Satellit (km) g/cm3 von der Sonne (Astronomische Einheiten) Merkur 4878 5,42 0,387 Venus 12104 5,25 0,723 Erde 12706 5,52 1,000 Mond 3476 3,34 Mars 6787 3,94 1,524 Phobos 27x19 1,90±0,5 Deimos 15xll 1,50±0,5 Vesta 549 3,20 2,362 Ceres 1020 2,80± 1,5 2,768 Jupiter 142800 1,31 5,203 Jupitersatelliten: 10 3452 3,65 Europa 2996 3,46 Ganymed 5280 2,27 Callisto 4840 1,24 Saturn 120800 0,69 9,539 Saturnsatelliten: Mimas 392 0,44 Enceladus 500 0,66 Tethys 1060 1,21 Dione 1120 1,43 Rhea 1530 1,33 Titan 5758 1,37 Iapetus 1460 0,70 Uranus 50800 1,19 19,18 Uranussatelliten: Miranda 484 1,26 Ariel 1160 1,65 Umbriel 1190 1,44 Titania 1610 1,59 Oberon 1550 1,50 Neptun 49000 1,66 30,06 Neptunsatelliten: Triton 5800 2,8 Nereid ca. 400 Pluto 1142 2,1 39,44 Charon 596 2,1 Kometen ca. 1-20 ca. 0,2-0,5 10 Dieter Stöffler Bereich des Planetensystems zwischen Sonne undJupiter befinden sich ausschlieG lich terrestrische Körper - Merkur, Venus, Erde und Mond, Mars mit den Satel liten Phobos und Deimos, und die groGe Zahl der Planetoiden oder Asteroi den -, Körper, die den Geowissenschaftler in besonderem MaG interessieren. Die äuGeren oder groGen Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun sind jeweils von einer groGen Zahl von Satelliten umgeben, unter denen sich auch terrestrische Körper befinden, die wie die inneren Planeten überwiegend aus Silikatgesteinen aufgebaut sind und daher Objekte geowissenschaftlicher Forschung darstellen. Allein schon aufgrund einfacher, astronomisch bestimmbarer Eigenschaften wie Durchmesser und Dichte läGt sich eine deutliche Zweiteilung des Planetensystems im stofflichen Sinn erkennen (Tabelle 1). Die Körper des inneren Planetensystems und einige Satelliten der äuGeren Planeten weisen Dichten oberhalb etwa 2 g/cm3 auf, die auf einen silikatischen Aufbau schlieGen lassen. Die groGen Planeten und die Mehrzahl ihrer Satelliten mit Dichten < 2 g/cm3 weisen auf die Vormacht flüchtiger Verbindungen der Elemente H, He, 0, C und N im Aufbau dieser Körper hin. Manche Satelliten wie Callisto, Titan oder Ariel nehmen eine Über gangsstellung zwischen beiden Gruppen ein, d. h. ein silikatischer Kern ist von einem Mantel aus überwiegend H 0-Eis umgeben (TabelIe 1). 2 3. Methoden der Exploration und Analyse der Planeten und Monde Grundsätzlich haben die Weltraumbehörden der raumfahrenden Nationen eine Strategie der stufenweisen Exploration eines Planeten oder Satelliten verfolgt [1, 2], wobei die konsequente Durchführung einer solchen Strategie häufig an politischen und finanziellen Problemen scheiterte. Die Tabelle 2 zeigt das mög liche Potential von Explorationssonden, das im IdeaHall, in einer zeitlichen Rei henfolge gesehen, mit einem Vorbeiflug (Fly-by) beginnt und über einen Orbital flug, eine harte und eine weiche Landung, Exploration durch unbemannte und be mannte Landesonden bis zur Probenentnahme und Rückführung der Probe zur Erde reicht. Das mögliche Spektrum der MeGmethoden, die jeweils bei einem speziellen Sonden-Typ einsetzbar sind, ist in Tabelle 2 zusammengefaGt. Eine systematische und volIständige Exploration im Sinne der Tabelle 2 wurde bisher nur im FalIe des Mondes durchgeführt. Das Beispiel des Mondes zeigt aber auch mit aller Deutlichkeit, daG eine auf Fernerkundung beschränkte Exploration nicht zu schlüssigen Ergebnissen geführt hätte, d. h. ohne Probenentnahme und hoch spezialisierte Analysen in irdischen Labors sind keine relevanten Aussagen über die Genese eines planetaren Körpers, seine geologische Entwicklung und seine Stellung im gesamten Planetensystem zu erreichen [3].