Urknall

Der Urknall und die Entstehung der Elemente

Über die Entstehung das Universum gibt es eine ganze Reihe verschiedener Theorien. Die heute wohl anerkannteste und gängigste ist die des Urknalls. Demnach lag das Universum vor 12 – 15 000 Millionen Jahren in Form eines dichten Energiepunktes vor, der sämtliche Energie in sich trug, um daraus die Materie des gesamten Universums entstehen zu lassen. Durch explosionsartige Ausdehnung dieses Energiepaketes entstand das Universum uns schon innerhalb weniger Stunden die ersten Wasserstoffkerne. Aufgrund der hohen Temperaturen von nicht weniger als 1 Milliarde °C sind echte Atome noch nicht stabil, da sich energiereiche, stark bewegte Elektronen nicht an den Kernen halten können. Erst einige hunderttausend Jahre später wird dies der Fall sein. Etwa 90% des heute existierenden Lithiums und der größte Teil des heute existierenden Wasserstoffs und Heliums stammen aus dieser Phase der Entstehung des Weltalls. Wie auch heute noch expandiert das Weltall zunächst in Form ungleichmäßig verteilter Wasserstoffwolken. Aus diesen drei Grundbausteinen sollen später alle Elemente entstehen.
Durch die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen (Gravitation) formt sich der kosmische Staub zu Galaxien wie unsere Milchstraße. Verdichtungsorte, an denen sich eine gewisse Menge dieser Ur-Teilchen angesammelt hat, gewinnen ständig an Anziehungskraft und ziehen somit immer mehr Teilchen an. In diesem Ballungsraum führt die ständig wachsende Dichte allmählich zu hohen Druck- und Temperaturverhältnissen. Sonnen entstehen auf diese Weise. Letztendlich kommt es zum Verschmelzen von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen, wobei zwei Wasserstoffkerne zu Helium verschmelzen In einer großen Sonne kann bei etwa 100 Millionen °C auch Helium „verbrennen“. Das uns dabei überlieferte Licht solcher Sonnen ist rot. Eines solche Sonne nennt man deshalb „Roter Riese“. Die dabei freiwerdende Energie reicht allerdings lediglich aus, um die Elemente entstehen zu lassen, die in einem Periodensystem in der Reihe bis einschließlich Eisen stehen. Brennt ein solcher Roter Riese aus, das heißt die brennbaren Reserven an Wasserstoff und Helium gehen zur Neige, so beendet dieser Stern sein Dasein in einer gewaltigen Explosion, einer sogenannten Supernova, die durch Kernverschmelzungsreaktionen genug Energie liefert um alle weiteren auf der Erde und im Weltraum vorhandenen Elemente entstehen zu lassen und durch die Wucht der Explosion weit im Weltall zu verteilen.

Unsere Sonne befindet sich im Zustand des „Wasserstoffstoffverbrennens“. Es werden dort also außer Helium keine neuen Elemente gebildet. Sie sind in der Sonne bereits vorhanden. Für ihre Entstehung müssen also bereits frühere Supernoven verantwortlich gewesen sein. Die Zusammensetzung der Sonne ähnelt sehr der sie umgebenden Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und Pluto. Es zwingt sich einerseits die Vorstellung auf, dass die Materie dieser Planeten und auch der Erde aus der Sonne stammen. Wie diese Abtrennung vor sich gegangen sein soll, ist sehr umstritten. Für diesen Fall sind werden meist äußere Einflüsse, wie die Anziehungskraft eines nicht mehr existenten Himmelskörpers bzw. das Herausschleudern von Materie durch die Wucht einer nahegelegenen Supernova verantwortlich gemacht.
Andere Vorstellungen gehen davon aus, dass sich Planeten und Sonne etwa gleichzeitig aus dem gleichen kosmischen Staub formten oder aus dem Ausstoß einer riesigen Gaswolke aus der Sonne. Diese verdichtete sich allmählich zu den Planeten. Alle diese Theorien führten bei ihrer genauen Hinterfragung und Untersuchung zu keinen wirklich befriedigenden Ergebnissen. Diese Frage muß wohl noch einige Zeit für die Forschung der Zukunft offen bleiben.

Ort der Entstehung einiger wichtiger Elemente der Erde

Wasserstoff ist wenige Sekunden nach dem Urknall bereits vorhanden. Ca. 70% des Kohlenstoffs (C) ensteht in mittelgroßen Sternen, die restlichen 30% in großen Sternen. Sehr ähnlich ist die Bildung des Stickstoffs (N). Er entsteht zu 80% in großen und nur zu 20% in mittelgroßen Sonnen. Dagegen werden Aluminium, Sauerstoff (O), Natrium (Na) und Magnesium (Mg) in großen, massereichen Sternen gebildet. Calcium (Ca) und Silicium (Si) und Eisen (Fe) entstammen der Energie von Supernovae. Alle weiteren Elemente entsanden auf ähnliche Art und Weise.

Der Schalenbau der Erde

Das Erkalten der frühen Erde nimmt einige Milliarden Jahre in Anspruch. Alle Elemente der heutigen Erde sind bereits vorhanden. Sie erscheint zunächst durch Massenverdichtung der Elemente und hoher Restradioaktivität der Kernverschmelzungsprozesse in flüssigem Zustand. Die Elemente ordnen sich aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes konzentrisch um den Erdmittelpunkt an. Die schwersten Elemente wie Eisen und Nickel formen sich im Erdinnern zum Erdkern. Im Erdmantel nimmt die Konzentration schwererer Elemente zur Oberfläche hin ab und leichteste Elemente wie Silizium schwimmen wie Öl auf Wasser auf der Oberfläche, und bilden die spätere Erdkruste.
Etwa vor 4500 Millionen Jahren begann sich die Erde abzukühlen und etwa 2000 Millionen Jahre später in der Erdfrühzeit (Präkambrium) bildeten sich die ersten Kontinentalplatten aus basaltischen und granitischen Gesteinen in der Form, wie sie zum größten Teil heute noch bestehen.

Sogenannte Diskontinuitäten begrenzen die Schalen

Die Kenntnisse, die zum Modell des Schalenbaus der Erde führten, wurden und werden über seismische Messungen gewonnen. Durch die Erschütterung von Gesteinsschichten durch Erdbeben und Sprengungen werden diese in Schwingung gebracht. Diese Schwingungen pflanzen sich in Form von Wellen innerhalb eines Gesteins fort. Gemessen wird dabei die Laufzeit der Erschütterungswellen, d.h. die Strecke die eine Welle in einer gewissen Zeit überwindet. Über solche Messungen können Rückschlüsse auf die Dichte und den Phasenzustand (fest, flüssig) eines Gesteins gemacht werden, da die Geschwindigkeit der Wellen in Materialien unmittelbar mit deren Dichte und Phasenzustand zusammenhängt. Flüssiges Medium leitet diese Wellen nur sehr schlecht oder gar nicht weiter.
Mithilfe dieser Messungen des Erdinnern stößt man auf Grenzflächen, die sich durch sprunghafte Unterschiede in ihren Wellengeschwindigkeiten auszeichnen. Solche Grenzen nennt man Diskonuitäten. Mithilfe stark ausgeprägter Diskonutitäten wurde die Untergliederung der Erde in Kruste, Mantel und Kern festgelegt.

Erdkruste
Die sogenannte Conrad-Diskonuität teilt die Erdkruste in eine Granit- und eine darunterliegende Basaltschicht. Diese auch als präkambrische Schilde bezeichneten Schichten bildeten in der Erdfrühzeit (Präkambrium) vor ca. 4000 Millionen Jahren das Fundament der ersten Kontinente. Oberhalb dieser Schichten findet man unterschiedlichste Sedimente aus der Verwitterung einst aufgefalteter Gesteinschichten, zum größten Teil granitische, Quarz- und Feldspat-reiche saure Gesteine. Im unteren Teil nimmt der Quarzgehalt stark ab. Basaltische Gesteine sind, wie oben erwähnt, schwerer und enthalten dunkle Minerale wie Olivin Hornblende und Augit. Die Gesteine der Erdkruste sind zunächst fest, obwohl es durch Druck- und Temperatur-Erhöhungen, meist verbunden mit vulkanischer Aktivität und plattentektonischen Vorgängen, stellenweise zu Aufschmelzungen von Gestein kommen kann. Die Erdkruste reicht in eine Tiefe von durchschnittlich etwa 35 km.

Erdmantel
In 35km Tiefe beschreibt die sogenannte Mohorovicic-Diskontinuität die Grenze zum zähflüssigen Erdmantel.
Der Erdmantel reicht bis zu 2800km Tiefe. Er besteht im oberen und unteren Teil aus dunklen, sehr stark basischen Mineralen. Oberer und Unterer Mantel werden durch eine Übergangszone bei ca. 400 – 1000 km Tiefe unterbrochen, deren Zusammensetzung sehr ungleichmäßig zu sein scheint.

Erdkern
Die Grenze von Mantel zu Kern wird durch die Gutenberg- Wiechert-Diskontinuität markiert. Der äußere Kernbereich bis zu einer Tiefe von ca. 5000 km ist flüssig , der innere Kernbereich bis zu Mittelpunkt der Erde in 6370km Tiefe ist fest. Ein reiner Eisen- Nickelkern wird heute aufgrund von Dichtemessungen nicht mehr angenommen. Hier scheinen auch leichtere Metalle beteiligt zu sein.
Die wichtigsten Elemente der Erdkruste

Der für uns Menschen relevanteste Abschnitt der Erde ist natürlich die Erdkruste. Abgesehenvon dem Umstand, dass wir uns ständig auf ihr bewegen, stammen alle unsere Gebrauchsgüter aus Rohstoffen, die wir aus der Erdkruste gewinnen. Abgesehen von einigen pflanzlichen und tierischen Produkten.

Das häufigste Element der Erdkruste ist der Sauerstoff. Er kommt ausnahmslos an andere Elemente gebunden vor. (Als reines gasförmiges Element würde er ohnehin in die Atmosphäre entweichen). Der sauerstoff besitzt etwa 50% Gewichtsanteil an der Erdkruste.
Das zweithäufigste Element ist Silizium mit etwa 25% Massenanteil . Die beiden Elemente verbinden sich zum häufigsten Mineral der Erdkruste, zum Siliziumdioxid (Sio2) oder auch Quarz und Kieselsäure genannt.