Als die Tage kürzer waren

Ein grundlegendes physikalisches Gesetz besagt, dass in einem System der Drehimpuls erhalten bleibt. Der abnehmende Drehimpuls der Erdrotation wird deswegen durch den höheren Drehimpuls des Mondumlaufs ausgeglichen. Der Trabant wird schneller und entfernt sich daher langsam von der Erde.

Gezeiten im Gestein

Schon George Howard Darwin, ein Sohn des berühmten Evolutionsforschers Charles Darwin, war sich dieses Prinzips bewusst. In einer 1879 veröffentlichten Arbeit errechnete er, dass der Mond bei einer Umlaufdauer von fünf Stunden der Erde so nahe gewesen sein musste, dass sich beide Körper berührten. Hieraus schlussfolgerte er, dass der Mond sich von der Erde abgespalten habe: „Wir sehen also, dass die Gezeitenreaktion in der Lage ist, das System in etwas mehr als 54 Millionen Jahren vom Ausgangszustand in den heutigen Zustand zu bringen“, schrieb er damals.

Darwin hat das Alter des Mondes erheblich unterschätzt. Heute sind die Astronomen davon überzeugt, dass der Mond als Folge des Einschlags eines großen Körpers auf die noch junge Erde entstanden ist (bdw 3/2013, „Der große Crash“). Mit der Vermutung, dass der Mond zu Urzeiten der Erde viel näher war als heute, lag er aber richtig. Die Datenlage ist indes spärlich. Informationen stammen von sehr alten sequenziellen Ablagerungen, die Geologen dem Wirken der Gezeiten in Gewässern zuschreiben.

„Präkambrische Gezeitenschichten sind häufig, aber quantitative Aufzeichnungen, die den Gezeitenantrieb durch den Mond dokumentieren, sind sehr selten“, konstatieren Christoph Heubeck und sein Kollege Tom Eulenfeld vom Institut für Geowissenschaften der Universität Jena in ihrer jüngsten Arbeit, in der sie 3,2 Milliarden altes Gestein analysiert haben. Als Präkambrium bezeichnet man das Zeitalter von der Entstehung der Erde bis zum Beginn des Kambriums vor etwa 540 Millionen Jahren.

In wenigen dieser uralten Gesteine haben sich die Gezeiten in Form von Lamellen abgebildet. Sie entstehen durch die Ablagerungsfolge von Sand und Schlamm in Phasen starker und schwacher Gezeitenströmung. So lässt sich in etwa 650 Millionen Jahre alten eiszeitlichen Schichten in Südaustralien die Anzahl der synodischen Monate pro Jahr ablesen, das heißt die bekannte Periode der Mondphasen, beispielsweise von Neumond zu Neumond. Bei dieser Konstellation ziehen Mond, Erde und Sonne „an einem Gravitationsstrang“; Flut und Ebbe sind etwas stärker als bei Halbmond.

Der synodische Monat beträgt heute 29,53 Tage. Mithilfe der altbekannten Gesetze von Johannes Kepler ergibt sich daraus, dass der Abstand des Mondes damals etwa 97 Prozent des heutigen Wertes entsprach. So groß war der Unterschied also gar nicht.

Die Gezeitenreibung nimmt allerdings mit der sechsten Potenz des Abstandes von Erde und Mond ab. Sie muss zu noch früheren Zeiten erheblich größer gewesen sein als vor 650 Millionen Jahren. „Gezeitenablagerungen aus weit älteren Schichten sind deshalb von großem Interesse, weil sie die kaum bekannte frühe Mondbahn präzisieren können“, schreiben Heubeck und Eulenfeld in ihrem Artikel.

Mit Sandsteinschichten rechnen

Die ältesten Gesteine, die solche Untersuchungen ermöglichen, finden sich in der rund 3,2 Milliarden Jahre alten Moodies-Gruppe im Barberton-Grünsteingürtel – ein etwa 110 Kilometer mal 40 Kilometer großes Gebirge im Nordosten Südafrikas. Es besteht überwiegend aus quarzhaltigen Sandsteinen mit einer Mächtigkeit von bis zu 3,6 Kilometern, die zum Großteil in flachen, gezeitenabhängigen Gewässern abgelagert wurden. Sie stellen ein einzigartiges früharchaisches Zeugnis des Übergangs vom Meer zum Land dar. „Das sind die ältesten, gut erhaltenen Flachwasser-Sandsteine der Erde“, sagt Heubeck.

Bereits im Jahr 2000 wurden die amerikanischen Wissenschaftler Kenneth Eriksson von der Virginia Tech in Blacksburg und Edward Simpson von der Kutztown University in Pennsylvania in der Moodies-Gruppe auf eine etwa 20 mal 20 Meter große Gesteinsplatte am Rand eines Bachlaufs aufmerksam. Sie weist eine regelmäßige Abfolge von dünnen Ton- und dickeren Sandsteinbändern auf. Diese Bänder repräsentieren Ablagerungen aus schwankenden Strömungen in einem Gewässer, das vielleicht Ähnlichkeit mit der heutigen äußeren Elbmündung hatte. Die Schichten, ursprünglich horizontal abgelagert, wurden durch Gebirgsbildung stark gefaltet und stehen heute senkrecht. „Man kann sich das etwa so vorstellen, als würden wir von oben auf die Seiten eines geschlossenen Buches schauen“, erläutert Heubeck.

Eriksson und Simpson argumentierten, dass dieses Muster durch Gezeitenablagerungen entstanden ist. Sorgfältig zählten sie auf der Platte kniend die Abfolge dieser Bänder und leiteten daraus die Dauer des sogenannten anomalistischen Monats ab. Damit ist die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen des Mondes auf seiner Bahn durch den erdnächsten Punkt gemeint.

„Die von Eriksson und Simpson ermittelten Daten waren aber in mehrerlei Hinsicht widersprüchlich und bei weitem nicht eindeutig“, sagt Heubeck. „Meine Studenten und ich haben mehrmals die gleichen Streifen ausgezählt; wir kamen zu ganz anderen Ergebnissen.“

Heubeck unternahm deshalb mit Hilfe seiner Studenten einen neuen Versuch, wobei Risse und kleine Verwerfungen in der Platte in der Zählung berücksichtigt wurden. Heubeck untersuchte ein viermal längeres Stück mit insgesamt 570 Schichten und stieß auf ein deutliches Muster: „Wir zählten millimetergenau abwechselnd dicke und dünne Schichten und stießen auf einen Rhythmus: die 7. Schicht ist in der Regel die dünnste, die 14. die dickste, die 21. wieder dünn und so weiter.“

Von vornherein ist freilich nicht klar, welchen Zeitrhythmus ein Bündel von jeweils 14 Schichten entspricht. Es können ebenso gut 14 Tage wie 14 Jahre oder 14 Jahrtausende sein. Aber die Kontinuität der Ablagerungen und die sedimentären Strukturen in den darüber- und darunterliegenden Schichten sprechen dafür, dass es sich um Ablagerungen in einer untermeerischen Düne handelt, die durch Gezeitenströmungen moduliert wurde. Ein 14-Tage-Rhythmus definiert den Abstand zwischen zwei Spring- beziehungsweise Nippfluten. Eine genaue Auswertung der Rhythmizität ergab schließlich einen wahrscheinlichsten Wert von 15 Tagen.

„Aus dieser Messung leiten wir die Mondbahn ab, und damit den Abstand zwischen Erde und Mond sowie die Mondumlaufzeit und die Dauer eines Sonnentages“, sagt Tom Eulenfeld. Hierfür benötigt man im Wesentlichen das dritte Keplersche Gesetz und das Gesetz der Drehimpulserhaltung. Das Ergebnis: Vor 3,2 Milliarden Jahren war uns der Mond um etwa 30 Prozent näher als heute, also rund 270.000 statt gegenwärtig 384.400 Kilometer. Und ein irdisches Jahr umfasste 680 Sonnentage mit je
13 Stunden Dauer.

Was bedeutet ein 13-Stunden-Tag?

Wie passen diese Werte zu Modellrechnungen? Modelle, welche die zeitliche Entwicklung des Drehimpulstransfers und damit der Mondumlaufbahn wiedergeben sollen, sind auf Annahmen und Vereinfachungen angewiesen. Der Grund ist, dass die Parameter, welche die Reibung und Stärke der Gezeiten in der Erdfrühzeit wesentlich bestimmten, nahezu unbekannt sind. Dazu gehören die Lage und Form der Kontinente und das Ausmaß der flachen Schelfe, also der vom Meer bedeckten Festlandsockel.

Alle bisherigen Messwerte passen am ehesten zu einem Modell, das ein Team um Mohammad Farhat von der Pariser Sorbonne im vergangenen Jahr veröffentlicht hat. Die Wissenschaftler berücksichtigten die Kontinentaldrift bis vor einer Milliarde Jahre und einen sanften Übergang zu einem Planeten mit einem globalen Ozean zuvor. Als Randbedingung setzten sie die heutige Rezessionsrate und das Mondalter ein.

Interessanterweise nimmt in diesem Modell der Abstand des Mondes nicht in einfacher Weise mit fortschreitender Zeit zu, vielmehr treten Resonanzen auf. Das sind Phasen, in denen die Gezeitenreibung besonders effektiv war. So zeigt das Modell zwei große Resonanzen innerhalb der letzten 700 Millionen Jahre, die den Abstand des Mondes stufenweise verändert haben.

„Diese Resonanzen sind mit raschen Schwankungen der Erdneigung verbunden, die große klimatische Ereignisse ausgelöst haben könnten“, stellen Farhat und sein Team fest. In beiden Phasen änderte sich der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre. Die zweite Resonanz vor 600 Millionen Jahren fällt zudem mit der Kambrischen Artenexplosion zusammen, in der binnen kurzer Zeit zahlreiche Vertreter fast aller heutigen Tierstämme entstanden.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Modellen sagt das von Farhat und seinem Team eine rapide Abstandsänderung bis zu einer Zeit vor etwa drei Milliarden Jahren voraus. Dies scheint der neue Datenpunkt von Heubeck und Eulenfeld erstmals zu bestätigen.

Die Vermutung, dass Resonanzphasen das Klima und die Evolution beeinflusst haben, verleiht dieser Forschung zusätzliche Bedeutung. Auch die Tageslänge war wichtig. „Wenn der Tag, also die Dauer zwischen zwei Sonnenaufgängen, nur 13 Stunden lang war, gab es schnellere Temperaturwechsel, aber geringere Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht als heute“, gibt Heubeck zu bedenken. Auf die Fotosynthese hatte die kürzere Tageslänge möglicherweise ebenfalls Einfluss: „Kaum ist es hell, wird es schon wieder dunkel.“ Außerdem sagen Klimatologen bei einer schnelleren Erdrotation stärkeren Wind voraus.

Weil Antworten auf diese und andere Fragen zu den Lebensbedingungen auf der frühen Erde in den Gesteinen der Moodies-Gruppe verborgen sein könnten, hat ein internationales Konsortium unter der Leitung von Christoph Heubeck kürzlich acht Kernbohrungen durch Schlüsselabschnitte der Moodies-Gruppe niedergebracht. Für die Untersuchung der Bohrkerne mit einer Gesamtlänge von 2900 Metern sind derzeit 26 Forschungsprojekte weltweit angemeldet. Bei einer ersten Inspektion erkannte Heubeck zu seiner Freude den 14- bis 15-Tage-Rhythmus wieder.