Table Of ContentRheinisch-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] .
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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].
