• Archiv der Kategorie: Erdgeschichte

Entstehung der Elemente und der Sterne

Vom Sternenstaub zum Sonnensystem

 

Der letzte Beitrag widmete sich der Entstehung des Universums, der Elementarteilchen und der Bildung der ersten Elemente des Universums (Abb. 1).

Abb. 1: Urknall und Expansion des Universums

Etwa 75 Prozent der Masse der Materie im Universum besteht aus Wasserstoff, und ungefähr 25 Prozent der Masse aus Helium. Alle schwereren Elemente, einschließlich des Kohlenstoffs, aus dem wir Menschen vorzugsweise bestehen, machen nur etwa ein Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Wenn Wissenschaftler dieses eine Prozent der Materie, das nicht aus Wasserstoff oder Helium besteht, genauer untersuchen, tauchen weitere Unterschiede auf. Einige Elemente wie Kohlenstoff oder Eisen sind relativ häufig, während andere wie Beryllium oder Gold selten sind. Warum ist das so? Nun, die Antwort hat mit der Art und Weise zu tun, wie die Elemente entstehen. Im letzten Beitrag haben wir kennengelernt, dass sich während der primordialen Nukleosynthese die ersten Wasserstoff- und Helium-Kerne bildeten (mit Spuren von Lithiumkernen), diese vereinigten sich vor ca. 380.000 Jahren mit den Elektronen und bildeten die Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium. Das sind die leichtesten Elemente im Universum (Abb. 2).

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Urknall und Ursprung des Universums Teil 2: Standardmodell der Teilchenphysik und die vier Grundkräfte

Alle Materie – Menschen, Tiere, Pflanzen und Planeten – bestehen aus Atomen. Im Kern der Atome befinden sich die positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen und in der Atomhülle die negativ geladenen Elektronen. Wir haben uns schon an anderer Stelle mit dem Bau der Atome und dem Periodensystem der Elemente befasst. Doch auch Atome sind aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt. Physiker haben ihre Kenntnisse über die kleinsten Teilchen im so genannten Standardmodell der Teilchenphysik zusammengefasst. Im Wechselspiel zwischen vielen experimentellen Ergebnissen und verschiedenen theoretischen Modellen ist in mehreren Schritten zwischen 1961 und 1973 das “Standardmodell der Teilchenphysik” entstanden. Obwohl es diesen bescheidenen Namen behalten hat, gilt es heute, über 40 Jahre später, als die bisher tiefste Erkenntnis, die die Naturwissenschaft über Entstehung, Aufbau und Verhalten der Materie in unserem Universum hervorgebracht hat. Alle bisher beobachteten subatomaren Vorgänge entsprechen perfekt den Vorhersagen des Standardmodells.

In diesem Beitrag lernen wir also das Standardmodell der Teilchenphysik kennen.

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Evolution der Erde 9: Raumschiff Erde, die Physik von Newton bis Einstein

Unser Bild vom Universum und vom Sonnensystem hat sich in den letzten 500 Jahren dramatisch verändert. Damals dachten die meisten Menschen, dass die Erde eine Scheibe sei und sich im Zentrum des Universums befinde und dass die Sterne winzige Lichtpunkte auf der Himmelskuppel seien.

Doch heute wissen wir, dass die Erde ein Planet ist, welcher die Sonne umkreist (Abb. 1). Unsere Sonne ist einer von über 250 Milliarden Sternen unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Von der Erde aus lassen sich mit aktueller Technik mehr als 50 Milliarden Galaxien beobachten. Seit 2016 geht die Forschung davon aus, dass sich im beobachtbaren Universum ca. eine Billion Galaxien befinden.

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Evolution der Erde 8: Plattentektonik

Wissenschaftliche Revolutionen

 

In seinem legendären Buch „The Structure of Scientific Revolutions“ von 1962 wies der Wissenschaftsphilosoph Thomas Kuhn darauf hin, dass die Wissenschaft ganz anders funktioniert, als die meisten Menschen denken. Sie ist kein langsamer, stetiger, ununterbrochener Marsch zur endgültigen Wahrheit. Stattdessen durchläuft sie Perioden, in denen jeder „normale Wissenschaft“ betreibt und bestimmte Grundvoraussetzungen und Annahmen akzeptiert (ein Paradigma im Sinne Kuhns).

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Tutorial Erdgeschichte 6: Minerale und Mineralogie

Gesteine gehören zu unserem Leben, bilden teilweise eine Lebensgrundlage. Wir bauen damit Häuser, manche schreiben ihnen eine heilende Wirkung zu, für andere sind sie gerade gut genug, um damit zu werfen. In diesem Beitrag befassen wir uns mit den Grundlagen der Mineralogie.

 

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Tutorial Erdgeschichte 5: Der Aufbau der Erde

Reise zum Mittelpunkt der Erde

 

1864 veröffentliche der französische Schriftsteller Jules Verne sein Roman Reise zum Mittelpunkt der Erde. Worum geht es in dieser Geschichte? Der Geologe Lidenbrock und sein Neffe Axel finden eine verschlüsselte Reiseroute zum Mittelpunkt der Erde und brechen sogleich dorthin auf. Die Expedition beginnt in einem isländischen Krater, führt durch enge Gänge, palastartige Höhlen und ein unterirdisches Meer. Am Ende spuckt der Vulkan Stromboli die Reisenden wieder aus. Es ist eine Reise durch die Gesteinsschichten und zugleich eine Mischung damaliger wissenschaftlicher Erkenntnisse, lebhafter Phantasie und Science-Fiction. Heute wissen wir, dass Vernes Vorstellungen zur Reise zum Mittelpunkt der Erde nicht möglich sind. Stattdessen haben sich unsere Vorstellungen von uns unbekannten Orten mit den Erkenntnissen der Kosmologie, der Erforschung des Weltalls und der Entdeckung neuer Planeten, Sternen und Galaxien vom Mittelpunkt der Erde in Weltall katapultiert. Aber Vernes Roman war ein Spiegelbild seiner Zeit, denn die Arbeiten von James Hutton und die Publikation von Charles Lyells „Principles of geology“ in den 1830er Jahren hatten sicherlich einen Einfluss auf Jules Verne, wie auch das nur wenige Jahre vor Vernes Roman veröffentlichte Werk von Charles Darwin über die Entstehung der Arten. Die Erkenntnisse des Inneren Aufbaus der Erde waren zu dieser Zeit kaum vorhanden.

In diesem Beitrag möchte ich euch mitnehmen in eine wissenschaftliche Reise zum Mittelpunkt der Erde. Vielleicht ist diese Reise nicht so phantasievoll wie Jules Verne Roman, doch die wissenschaftlichen Erkenntnisse sind dadurch nicht weniger spannend.

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Tutorial Erdgeschichte 4 – Hutton, Lyell, Naturalismus, Neptunismus, Plutonismus

Wir befassten uns mit dem Alter unserer Erde. Wir haben gelernt, mit welchen Methoden Wissenschaftler die Gesteine untersuchen, um deren Alter zu bestimmen. Insbesondere die radiometrische Datierung erlaubt es uns, das hohe Alter der Erde möglichst genau zu bestimmen. In diesem Beitrag, wollen wir einen kurzen Überblick über die Ursprünge der Geologie als Wissenschaft liefern, einer Disziplin, die gerade erstmal 200 Jahre alt ist.

Obwohl es schon unter den alten Griechen und Römern einige Gelehrte gab, die dachten, die Erde sei wirklich alt, stammen unsere modernen Erkenntnisse über das Alter der Erde aus dem späten 18. Jahrhundert, aus der Zeit der Aufklärung.

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Tutorial Erdgeschichte 3: Erdzeitalter und Massenaussterben

Erdzeitalter

 

Wir haben kennengelernt, mit welchen Methoden wir feststellen können, wie alt unsere Erde ist: Sie ist etwa 4,5 Mrd. Jahre alt. Einen solch langen Zeitraum unterteilt man in verschiedene Zeitabschnitte. So wie wir einen Kalender in Monate, Wochen und Tage einteilen, teilen auch Geologen und Paläontologen die Erde in verschiedene Zeitepochen auf.

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Tutorial Erdgeschichte 2: Altersdatierung

In unserem letzten Beitrag haben wir im Schnellverfahren eine Zeitreise durch unsere Erdgeschichte gemacht. Wir haben mit einem Gedankenexperiment die ca. 4,5 Mrd. Jahre unserer Erde in einem Kalenderjahr ablaufen lassen. Doch woher wissen wir eigentlich wie alt die Erde ist? Es gibt mehrere Methoden das Alter der Erde zu bestimmen. Man unterteilt sie prinzipiell in relative und absolute Altersbestimmungen. Wir werden uns in diesem Beitrag mit einigen dieser Altersbestimmungen befassen.

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