22. Mär. 2017

Lavasee des Kilauea auf der Hauptinsel von Hawaii (1954).

In den Sedimenten der Tiefsee ruht das Gedächtnis der Erde. Die langsam auf den Boden rieselnden Partikel speichern Informationen über Jahrmillionen der Planetengeschichte. Dass sie dabei auch für Astronomen wertvoll sein können, zeigte sich auf dem Statusseminar Tiefbohrung der Deutschen Forschungsgemeinschaft in Braunschweig. Bremer Geowissenschaftler stellten Bohrkernuntersuchungen vor, die den Gravitationseinfluss des Mars auf das irdische Klima und eventuell sogar die Tektonik zeigen.

Unser Planetensystem mit seinen acht großen und zahlreichen kleineren Himmelskörpern scheint ein Musterbild der Ordnung zu sein, das sich nach den Regeln der Gravitation in Harmonie um sein solares Zentrum dreht. Doch schon Isaac Newton vermutete, dass die Harmonie nur vordergründig sei und im System viel mehr Unordnung stecke. "Die Bewegungen der Planeten sind tatsächlich nicht regelmäßig, sondern chaotisch", sagt Jacques Lascar, Astronom am Pariser Observatorium. Das Problem sind die Vielzahl der beteiligten Himmelskörper, so dass auf lange Sicht auch winzigste Einflußfaktoren eine entscheidende Rolle spielen können und so die Vorhersagbarkeit des gesamten Systems unterminieren. "Es ist der Schmetterlingseffekt, den wir auch aus der Wettervorhersage kennen", so Lascar, "dort beträgt der Prognosezeitraum ungefähr 14 Tage, im Fall des Sonnensystems ist bei rund 60 Millionen Jahren Schluss."

Himmelsmechaniker wie Jacques Lascar versuchen, die Bewegungen der Planeten so weit es geht in die Vergangenheit zurückzuverfolgen und stoßen früher oder später an die Grenzen ihrer Berechnungen. Umso wichtiger ist es für sie, ihre Modelle an Beobachtungsdaten zu kalibrieren. Der wichtigste Maßstab sind astronomische Aufzeichnungen, doch diese reichen bestenfalls ein paar Tausend Jahre zurück. Glücklicherweise gibt es da noch ein Archiv, das weit über die menschlichen Protokolle hinausreicht. "In gewisser Weise schlagen sich die Planetenbewegungen in den Sedimentlagen nieder", erklärt Lascar. Und in solchen Sedimentlagen aus der Tiefsee haben Geowissenschaftler jetzt Spuren des Chaos gefunden, das das Planetensystem unter seiner scheinbar geordneten Oberfläche regiert. Ihre Daten, die sie auf einem Seminar der internationalen Tiefbohrprogramme in Braunschweig präsentierten, liefern Jacques Lascar einen Maßstab tief in der Vergangenheit, um seine himmelsmechanischen Modelle zu überprüfen.

Spuren im 52 Millionen Jahre alten Sediment

"Wir finden kleine Veränderungen im Eisengehalt", beschreibt Thomas Westerhold, Geowissenschaftler am Bremer Zentrum für Marine Umweltwissenschaften Marum. Das Eisen landet vor allem mit den Flüssen im Meer und lagert sich dort in den Sedimenten ab. "Dieser Eintrag schwankt natürlich mit dem Niederschlag", erklärt Westerhold, "und der wird durch die Position der Erde zur Sonne beeinflusst." Es ist nur ein schwaches Signal und es zeigt nur die stärksten Schwankungen im Planetensystem, doch Westerhold und seine Kollegen haben in Bohrkernen aus dem Zentral- und Südatlantik tatsächlich Hinweise gefunden, dass es vor 52 Millionen Jahren eine Störung in der Erdumlaufbahn gab, die nur durch Wechselwirkung mit einem anderen Planeten – in diesem Fall wohl der Mars – erklärt werden kann.

Die Marum-Forscher wollten eigentlich die Klimaschwankungen im frühen Eozän genauer aufschlüsseln. "Die interessieren uns, weil damals die Kohlendioxidgehalte der Atmosphäre ungefähr so hoch waren, wie man es für 2100 vorhersagt", erklärt Thomas Westerhold. Das Eozän, das vor 56 Millionen Jahren begann, war ein Zeitalter starker Temperaturschwankungen mit Wärmeperioden, die zu den stärksten der Erdneuzeit zählen. Um die Schwankungen genau zu erfassen, untersuchten die Forscher Sedimentkerne aus dem Atlantik, die zwei Expeditionen des Meeres-Bohrprogramms IODP (International Ocean Discovery Program) im Frühjahr 2003 erbohrt hatten. "Die Sedimentationsrate beträgt ungefähr ein bis zwei Zentimeter in 1000 Jahren", erklärt der Bremer. Jährliche Schwankungen schlagen sich dabei nicht nieder, nur die langfristigen Trends bilden sich im Sediment ab.

Der Mars: Im Blickpunkt der europäischen Planetenforschung.
Bild: NASA/JPL/MSSS
Bohrkerne aus dem Südatlantik.
Bild: AWI/Hannes Grobe/CC-BY SA 3.0
Die Planeten des Sonnensystems in ihrer Relation zur Sonne.
Bild: NASA

Kleiner Ausschlag spiegelt orbitale Anomalie wider

Der kleine Ausschlag im Eisengehalt, den Westerhold und seine Kollegen im 52 Millionen Jahre alten Sediment gemessen haben, entspricht einer Anomalie in Jacques Lascars Orbitalmodellen. "Die zeigen genau zu der Zeit eine kleine Veränderung in der Orbitalresonanz zwischen Erde und Mars", so Thomas Westerhold. Es sind kleine Veränderungen in den sogenannten Milanković-Zyklen, die hier zum Tragen kommen.

Der serbische Mathematiker Milutin Milanković hatte erstmals in den 40er Jahren des vergangenen Jahrhunderts zyklische Veränderungen in der Erdumlaufbahn benannt, die Rhythmen von ein paar Tausend bis zu ein paar Hunderttausend Jahren haben. Ihre Ursache liegen in der Neigung und in der Kreiselbewegung der Erdachse und in der mehr oder weniger ausgeprägt elliptischen Planetenbahn um die Sonne. Geowissenschaftler bringen diese Zyklen zum Beispiel in Zusammenhang mit dem Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten, den die Erde in den jüngsten 2,6 Millionen Jahren erlebt.

Im Zentrum des Interesses von Thomas Westerhold und Jacques Lascar steht der dritte Milanković-Zyklus, der die elliptische Umlaufbahn der Erde prägt und eine Dauer von rund 400.000 Jahren hat. Den stärksten Einfluss auf die Streckung der elliptischen Erdumlaufbahn haben die Gravitationskräfte von Sonne, Mond und der Erde selbst. Doch darüber hinaus gibt es noch einen geringen Einfluss unseres nächsten Nachbarplaneten Mars, der dem 400.000-Jahres-Zyklus eine zusätzliche Schwankung verleiht. "Diese Bewegung läuft mit ganz langer Periode, auf einer Skala von Millionen Jahren", erklärt Lascar, "aber sie sollte spürbare Auswirkungen auf das Klima der Erde haben." Dass die deutschen Geowissenschaftler genau dafür jetzt Spuren im frühen Eozän gefunden haben, nutzt der französische Astronom, um seine himmelsmechanischen Modelle anzupassen.

Marswirkung auf die irdische Plattentektonik?

Auf dem Planeten Erde haben die Marum-Forscher ein weiteres Zusammentreffen festgestellt, das ihre wissenschaftliche Neugier kitzelt. "Diese Veränderung in den Orbital-Resonanzen vor 52 Millionen Jahren ist fast zeitgleich mit einer globalen Reorganisation der Plattentektonik", erklärt Westerhold und meint damit eine auffällige Veränderung der Plattenbewegungen im Pazifik. Markiert wird sie durch einen Knick in der Kette von untermeerischen Vulkanen, die sich von der US-Inselgruppe Hawaii über 6000 Kilometer nach Nordosten und Norden zieht und insgesamt 129 größere Vulkane umfasst.

Die Emperor-Hawaii-Kette beginnt mit dem Meji Seeberg, rund 300 Kilometer vor der Ostküste Kamtschatkas, und endet mit den gewaltigen Vulkanen Hawaiis. Ungefähr in der Mitte hat die Vulkankette einen Knick: sie ändert ihre Richtung von Nord-Süd nach Nordwest-Südost. "Das war genau vor 52 Millionen Jahren", sagt Thomas Westerhold. Ungefähr zur selben Zeit brach im Westen des Pazifiks eine riesige Subduktionszone auf, die von den Izu-Inseln vor Tokio bis zum Kermadec-Archipel vor Neuseeland reicht.

Das Zusammentreffen halten die Bremer Wissenschaftler für so auffällig, dass sie eine provokante Hypothese wagen: "Die Veränderung in den Orbitalresonanzen vor 52 Millionen Jahren hat möglicherweise die Konvektionsströme im Mantel verändert oder zumindest beeinflusst", sagt Westerhold, "und so könnte die Reorganisation der plattentektonischen Bewegung durchaus von ihnen verursacht worden sein." Es wäre eine heftige Wirkung der Mars-Erde-Resonanz, doch der sprichwörtliche Schlag des Schmetterlingsflügels in der Chaostheorie führt am Ende schließlich auch zu einem Erdbeben. Für Westerhold ist die Hypothese denn auch nur ein Denkanstoß an seine Geowissenschaftlerkollegen: "Wie man sich das genau vorstellen kann, das müssen dann andere Forscher ergründen. das können wir nicht machen."