Expansionshypothese

Die Expansionstheorie der Erde (auch Expansionshypothese genannt), ist eine gegen Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte und besonders in den 1950er Jahren diskutierte Theorie, welche später die von Alfred Wegener postulierte Kontinentaldrift und das Auseinanderbrechen des Superkontinents Pangaea durch eine ständige Vergrößerung des Erdradius zu erklären versucht. Als wichtigster Vertreter gilt der australische Geologe Samuel Warren Carey (1911-2002). Diese Theorie wird derzeit jedoch im wissenschaftlich-akademischen Umfeld zu Gunsten der Theorie der Plattentektonik kaum mehr vertreten.

Bewegung der Kontinente während der Erdexpansion. Links: Atlantischer Ozean; rechts: Pazifischer Ozean.

Geschichte und Begründungsversuche

Ausdehnung bei konstanter Masse

Roberto Mantovani veröffentlichte 1889 und 1909 eine Theorie der Erdexpansion. Er nahm an, dass ein geschlossener Kontinent die gesamte Oberfläche einer damals sehr viel kleineren Erde bedeckte. Durch vulkanische Tätigkeit aufgrund von Wärmeausdehnung brach dieser Kontinent auseinander, wobei sich die neu entstandenen Kontinente immer weiter voneinander entfernten, da die Aufrisszonen immer weiter expandierten und heute den Bereich der Ozeane bilden. ^{[1] [2]} Wegener sah Ähnlichkeiten zu seiner eigenen Theorie der Kontinentaldrift und erkannte Mantovani als einen seiner Vorgänger an, er erwähnte jedoch Mantovanis Erdexpansionshypothese nicht. ^[3]

Einen Kompromiss zwischen Erdexpansion und Erdkontraktion stellt die "Theorie der thermischen Zyklen" von John Joly und Arthur Holmes dar. Durch einen Überschuss der inneren Wärmeproduktion, wenn diese durch radioaktive Vorgänge das Ausmaß der natürlichen Abkühlung übersteigt, entsteht eine Art Wärmestau. Es wird angenommen, dass sich Spalten während der durch den Wärmestau bedingten Volumenvergrößerung der Erdkruste bilden. In diese Spalten dringt Magma ein und erreicht teilweise als Lava die Erdoberfläche. Durch die damit verbundene Wärmeabgabe tritt nach der Phase der Aufwärmung und Ausdehnung eine Phase der Abkühlung und Schrumpfung ein. Diese Phasen bilden nach dieser Theorie eine dauernde Abfolge in der Erdgeschichte. ^[4]

Dagegen nahmen Lindemann (1927), ^[5] Halm (1935), ^[6] László Egyed (1956), ^{[7] [8]} und Owen (1983), ^{[9] [10]} eine Expansion durch Phasenübergänge im Erdkern an. Der Kern habe demnach aus einem superdichten Material bestanden, das sich in eine weniger dichte Form umwandelt und dabei expandiert. Egyed verband dabei seine Theorie mit einer möglichen Abnahme der Gravitationskonstante.

Jedoch die auf Wärmeausdehnung basierende Theorie steht im Widerspruch mit den meisten modernen Prinzipien der Rheologie und eine anerkannte Erklärung für die benötigten Phasenübergänge fehlt ebenso. Und wie Stewart anmerkte, würde ein geringerer Erdradius bei gleicher Masse dazu führen, dass aufgrund des Gravitationsgesetzes in der Vergangenheit die Schwerkraft an der Oberfläche 4 mal so groß wie heute war. Das ist nur mit der Größe der damals lebenden Dinosaurier in Einklang zu bringen, wenn vorausgesetzt wird, dass diese im Wasser lebten. ^[11]

Ausdehnung durch Massenzunahme

Iwan Ossipowitsch Jarkowski schlug 1888 im Zusammenhang mit seiner mechanischen Erklärung der Gravitation eine Art Absorption des Äthers vor, welcher in den Himmelskörpern in neue chemische Elemente transformiert würde und so eine Expansion der Himmelskörper verursacht. Er erwähnt jedoch nicht den Zusammenhang mit der Bildung der Kontinente. ^[12] Auch das Modell von Ott Christoph Hilgenberg (1933, 1974), von diesem zu Ehren Wegeners verfasst, beruht auf der Absorption und Transformation von "Äther-Energie", welche auch im Zusammenhang mit Gravitationsmodellen vom Le Sage Typ gesehen wurde. Wie schon Mantovani zeichnete er Karten, welche einen Urkontinent bei kleinerem Erdradius zeigten. ^{[13] [14]} Der bekannteste Vertreter des Modells Erdexpansion, Samuel Warren Carey, schlug noch 1996 ebenfalls eine Massenzunahme vor, schränkte aber ein, dass eine wirkliche Lösung des Problems erst auf kosmologischer Ebene im Zusammenhang mit der Expansion des Universums erreicht werden kann. Wie Carey anmerkt, ist dieses Modell wenigstens nicht von der Kritik Stewarts betroffen: Denn wenn neben dem Radius auch die Masse der Erde in der Vergangenheit kleiner war, kompensieren sich diese Effekte und die Schwerkraft an der Oberfläche bleibt zumindest annähernd konstant bzw. ist der Effekt der geringeren Masse größer, wäre die Schwerkraft früher sogar geringer gewesen, was nach Ansicht von Carey die Größe der Dinosaurier erklären könnte. ^{[15] [16] [17]}

Jedoch wird jegliche (unerklärte) Entstehung von neuer Materie durch Absorption eines (unerklärten) Äthers als eine mit der modernen Physik nicht zu vereinbarende Spekulation angesehen.

Abnahme der Gravitationskonstante

Diese Hypothese entstand aufgrund der Vermutung von Paul Dirac (um 1938), dass die Gravitationskonstante in erdgeschichtlichen Zeiten langsam abnimmt. Dies veranlasste Pascual Jordan im Jahr 1964 eine für alle Planeten zutreffende Expansion zu postulieren. ^[18] Im Gegensatz zu den andern Erklärungsmodellen wurde diese Hypothese zumindest im Rahmen der Physik als durchaus möglich eingestuft. Max Born beschreibt Jordans Modifikation der Gravitationskonstante als „systematische Verallgemeinerung“ der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins.

Diese Hypothese verursacht wie die Theorien mit konstanter Masse Erklärungsprobleme in Bezug auf die Existenz der Dinosaurier. Die Schwerkraft würde an der Oberfläche nicht nur wegen des geringeren Radius, sondern auch wegen der höheren Gravitationskonstante sehr viel größer sein als heute, und auch hier wären einige Saurierarten unter ihrem eigenen Körpergewicht zusammengebrochen. Haupteinwand gegen diese Theorie ist, dass neuere Messungen einer möglichen Variation der Gravitationskonstante eine obere Grenze für eine relative Veränderung von lediglich 5•10^-12 ergaben. Das ist ein um das zehnfache zu geringer Wert, als ihn Jordan für seine Theorie benötigt. ^[19]

Erdexpansion und Subduktion

Entstehung der Kontinente und Ozeane

Samuel Warren Carey

Urkontinent: Nachdem die Erde entstanden war, soll ein Urkontinent existiert haben, der die Oberfläche der Erde praktisch vollständig bedeckt hat. Durch die Zunahme des Erdvolumens sei die Erdkruste an ihren schwächsten Stellen, wo nun die Ozeane liegen, aufgerissen und habe so zur Entstehung der Kontinente geführt. Wie nach der etablierten Theorie der Plattentektonik entsteht dabei neuer ozeanischen Boden durch Ozeanbodenspreizung an den mittelozeanischen Rücken. Es fehlt in der Expansionstheorie jedoch der Ausgleich durch den Prozess der Subduktion, durch welchen alte Kruste absinkt, die Entstehung von neuer Kruste somit kompensiert und den konstanten Radius möglich macht. Die Existenz der Subduktion ist es nun, die in diesem Zusammenhang von den Anhängern der Erdexpansion wie Hilgenberg oder Carey hauptsächlich kritisiert wird. ^[17] Eine Ausnahme ist z.b. Owen, welcher die Erdexpansion mit plattentektonischen Prozessen wie der Subduktion kombiniert. ^[10]

Form der Kontinente: Als ein Hauptargument für dieses Modell wird von Befürwortern angeführt, dass wenn die heutigen Ozeane entfernt werden und so der Erdradius reduziert wird, die Kontinente unter Berücksichtigung ihrer stärkeren Krümmung angeblich besser zueinander passen, als es bei den auf Wegener folgenden Rekonstruktionen des Urkontinents Pangaea bei konstantem Radius der Fall ist. Von den meisten Vertretern des Modells wird dabei ein idealer Radius von ca. 50-60% des heutigen Wertes im Mesozoikum vor 250 Mio Jahren angenommen. Deshalb wird in diesen Modellen im Gegensatz zur Plattentektonik auch eine Übereinstimmung der Konturen bei den gegenüberliegenden pazifischen Küsten postuliert, wovon bis jetzt aber nichts bekannt ist. ^[20] Eine Ausnahme ist hier wieder Owen, der einen Radius von 80% des heutigen Wertes annimmt, und auch eine Übereinstimmung der pazifischen Küsten ist bei ihm nicht vorgesehen. ^[10]

Gebirgsbildung: Einigen Modellen von deutschen und italienischen Geologen des 19. Jahrhunderts folgend erklärt Carey die Gebirgsbildung als Folge des Aufsteigens von leichteren Gesteinsbereichen (Diapir) aufgrund des Wechselspiels von Gravitation, Wärmeausdehnung und Phasenübergängen. ^[17] Hingegen in der Theorie der Plattentektonik wird die Gebirgsbildung durch den Zusammenstoß von Kontinentalplatten erklärt. Ein markantes für die Plattentektonik sprechendes Beispiel dafür ist der indische Subkontinent, welcher sich von Afrika löste, lange im indischen Ozean driftete und schließlich mit Asien zusammenstieß, wodurch der Himalaya aufgetürmt wurde.

Entstehung der Ozeane: Stewart gab an, dass bei einer Reduktion des Erdradius um die Hälfte die gesamte Erdoberfläche von einem Ozean mit einer Tiefe von mindestens 8 km bedeckt war, vorausgesetzt die Wassermenge entspricht dem heutigen Wert. ^[11] Während der Expansion wären dann die Kontinente aus diesem Urozean aufgetaucht, wobei sich das Wasser in den Aufriss- bzw. Expansionszonen gesammelt hat, welche die heutigen Ozeane bilden. Carey negierte hingegen die Existenz eine weltumspannenden Urozeans und schlug stattdessen vor, dass die Bestandteile des Wassers im gasförmigen Zustand zusammen mit der neuen Materie bei der Entstehung der Ozeanböden an die Oberfläche kommen und erst dort das Wasser der Ozeane ergänzen. ^[17] Die ozeanische Erdkruste ist im Vergleich zu den Kontinentalkrusten viel jünger. Die ältesten ozeanischen Krusten sind maximal 200 Mio Jahre alt, während die Kontinentalkrusten um bis zu 20-mal älter sind. Da die ozeanischen Krusten eine geringere Dicke als die kontinentalen aufweisen und sich Risse an den schwachen Stellen bilden, kann das junge Alter der ozeanischen Böden nach dieser Theorie durch die Neubildung der Ozeanböden erklärt werden. Die Plattentektonik erklärt hingegen das junge Alter der ozeanischen Kruste als Kreislauf zwischen Neubildung und Subduktion.

Geschwindigkeit der Expansion: Einige wie Jordan oder Egyed gingen von einer gleichmäßigen, langsamen Expansion aus. Egyed gab dabei die jährliche Vergrößerung des Erdradius mit etwa 0,5 bis 1 mm an, wobei die Expansion bereits bei der Entstehung der Erde einsetzte. ^[8] Es wurde jedoch bemängelt, dass diese Expansionsrate viel zu gering sei, um die Verschiebung der Kontinente seit dem Mesozoikum vor ca. 250 Mio Jahren, als Pangaea zerbrach, zu erklären. Deswegen bezieht Owen auch die Subduktion in sein Modell ein, was einerseits die Expansionsrate gering hält, aber andererseits ein ausreichendes Tempo der Kontinentalverschiebung garantieren soll. ^[10] Carey hingegen verwirft die Subduktion vollständig und nimmt deswegen eine schnelle Expansion an. Es stellt sich dabei jedoch die Frage, warum Pangaea erst im Mesozoikum zerbrach und was in den Milliarden Jahren vorher passiert ist. Er ergänzte deswegen seine Hypothese mit der Annahme, dass zu Beginn die Expansion relativ langsam verlaufen sei, mit der Zeit sei die Expansionsrate jedoch exponentiell angestiegen. Eine Begründung für diese Beschleunigung konnte er jedoch nicht angeben. ^[17] Williams (2000) jedoch weist auf Untersuchungen des Trägheitsmoments der Erde hin, nach denen in den letzten 620 Mio Jahren keine nennenswerte Änderung des Erdradius stattgefunden haben kann und somit die Erdexpansion kaum haltbar sei. ^[21]

Subduktion

Seit 1970 wurden im Rahmen von Strukturgeologie, Seismologie, Petrologie und Isotopengeochemie eine große Anzahl von Hinweisen gefunden, dass der Prozess der Subduktion tatsächlich stattfindet. Dies schließt die Expansionstheorie zwar nicht prinzipiell aus, jedoch wird dadurch die Konstanz des Erdradius sehr viel wahrscheinlicher. Beobachtungen, welche als überzeugende Belege für die Existenz der Subduktion gewertet werden:

• Die Existenz der Wadati-Benioff Zonen, welche durch die abtauchenden Platten bei der Subduktion gebildet werden.
• Durch seismische Tomographie erstellte 3D-Modelle des Erdmantels zeigen kalte Zonen von sinkendem Material genau in den Regionen wo die Plattentektonik das Absinken der Erdkruste in den Erdmantel voraussagt.
• Petrologische Erforschung von Gestein aus Gebirgsketten zeigen an, dass diese oft aus sehr tiefen Stellen kommen, wobei diese vertikale Bewegung durch das Wechselspiel von Subduktion und Obduktion leicht erklärt werden kann. Die Existenz von Eklogit in Gebirgen zeigt dabei, dass Gestein tief in den Erdmantel geschoben wurde, was durch die so genannte „slab pull“ Kraft bei den mittelozeanischen Rücken im Rahmen der Plattentektonik erklärt werden kann.
• Die Existenz von großen Scherzonen (Sutur) in den meisten Gebirgszügen. Paläomagnetische und mineralogische Studien zeigen dass Gesteine neben einander liegen, welche ursprünglich tausende Kilometer voneinander entfernt waren. In anderen Worten: Ein Teil der Kruste fehlt. Die Strukturgeologie zeigt, dass diese fehlenden Teile der Kruste nicht direkt unterhalb der Scherzonen liegen. Stattdessen haben sie sich anscheinend entlang der Sutur in den Mantel bewegt. Das ist ein Hinweis auf die Existenz von Kontinentalkollisionen und von Subduktion.
• Metalle der Seltenen Erden von vulkanischem Gestein, welche über Subduktionszonen geformt werden, entsprechen den Sedimenten an der Spitze einer der Subduktion unterworfenen Platte.

Status der Theorie

Obwohl noch immer von einigen Forschern außerhalb des wissenschaftlichen Mainstreams vertreten^[22][23] gilt heute allgemein die Auffassung, dass das Erdexpansionskonzept viele globale Prozesse der Geodynamik genauso wenig erklären kann wie das durch die verschiedenen Disziplinen der Geologie (z. B. Tektonik, Paläomagnetismus, historische Geologie) zusammengetragene Wissen über das paläogeographische Aussehen der Erde sowie das durch Seismik ermittelte Bild der Erdkruste und des obersten Erdmantels. Die Problematik der Erdexpansion liegt dabei vor allem darin, dass eine nennenswerte Expansion nicht nachgewiesen werden konnte, und auch im Fehlen einer akzeptablen Begründung, warum der Erdradius zunehmen sollte. Diese Tatsache, zusammen mit der Weiterentwicklung der von Carey ursprünglich mitgeformten Theorie der Subduktion, führte zu dem bis heute andauernden Schattendasein des Modells.

Einzelnachweise

1. ↑ Mantovani, R.: Les fractures de l’écorce terrestre et la théorie de Laplace. In: Bull. Soc. Sc. et Arts Réunion. 1889, S. 41-53. 
2. ↑ Mantovani, R.: L’Antarctide. Je m’instruis. La science pour tous. n°38, 19. September 1909, S. 595-597. 
3. ↑ Wegener, A.: Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. Friedrich Vieweg & Sohn Akt. Ges., Braunschweig 1929. 
4. ↑ Hohl, Rudolf: Geotektonische Hypothesen. In: Die Entwicklungsgeschichte der Erde. Brockhaus Nachschlagewerk Geologie mit einem ABC der Geologie. 4. Auflage. Bd. 1, 1970, S. 279-321. 
5. ↑ Lindemann, B.: Kettengebirge, kontinentale Zerspaltung und Erdexpansion. Jena 1927. 
6. ↑ Halm, J.K.E.: An astronomical aspect of the evolution of the earth. In: Astron. Soc. S. Afr.. 4, Nr. 1, 1935, S. 1-28. 
7. ↑ Egyed, L.: The change of the Earth's dimensions determined from palaeo-geographical data. In: Geofisica Pura e Applicata. 33, 1956, S. 42-48. 
8. ↑ ^{a b} Egyed, L.: Physik der festen Erde. Akadémiai Kiadó, Budapest 1969. 
9. ↑ Owen, H.G.: Atlas of continental displacement. Cambridge University Press, Cambridge 1983. 
10. ↑ ^{a b c d} Owen, H.G.: The Earth is expanding and we don't know why. In: New Scientist. 22, 1983, S. 27-29. 
11. ↑ ^{a b} Stewart, A.D.: Limits to palaeogravity since the late Precambrian. In: Nature. 271, 1978, S. 153-158. 
12. ↑ Yarkovsky, Ivan Osipovich: Hypothese cinetique de la Gravitation universelle et connexion avec la formation des elements chimiques. Moskau 1888. 
13. ↑ Hilgenberg, O.C.: Vom wachsenden Erdball. Giessmann & Bartsch, Berlin 1933. 
14. ↑ Hilgenberg, O.C.: Geotektonik, neuartig gesehen. In: Geotektonische Forschungen. 45, 1974, S. 1-194. 
15. ↑ Carey, S. W.: The tectonic approach to continental drift. In: Continental Drift – A Symposium. Hobart 1956, S. 177-363. 
16. ↑ Carey, S. W.: Theories of the earth and universe: a history of dogma in the earth sciences. Stanford University Press, 1988, ISBN 0-8047-1364-2. 
17. ↑ ^{a b c d e} Carey, S. W.: Earth, Universe, Cosmos. University of Tasmania, Hobart 1997. 
18. ↑ Jordan, Pascual: The expanding earth: some consequences of Dirac's gravitation hypothesis. Pergamon Press, Oxford 1971. 
19. ↑ Born, M.: Die Relativitätstheorie Einsteins. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1964/2003, ISBN 3-540-00470-X. 
20. ↑ Vogel, K.: Global models and Earth expansion. In: Carey, S.W. (Hrsg.): Expanding Earth Symposium. University of Tasmania, 1983, S. 17-27. 
21. ↑ Williams, G.E.: Geological constraints on the Precambrian history of the Earth’s rotation and the moon’s orbit. In: Reviews of Geophysics. 38, Nr. 1, 2000, S. 37-59. 
22. ↑ Scalera, G. and Jacob, K.-H. (Hrsg.): Why expanding Earth? – A book in honour of O.C. Hilgenberg. INGV, Rom 2003. 
23. ↑ Michihei, Hoshino: The Expanding Earth evidence, causes and effects. Tokai University Press, Kanagawa/Japan 1998, ISBN 4-486-03139-3. 

Siehe auch

• Mobilismus
• Fixismus, Geschichte der Geologie, NUVEL-Modell

Weblinks

• Scalera: The expanding Earth: a sound idea for the new millennium
• Scalera: Roberto Mantovani an Italian defender of the continental drift and planetary expansion
• Scalera, Braun: Ott Christoph Hilgenberg in twentieth-century geophysics
• Scalera: Samuel Warren Carey - Commemorative memoir
• Alter der Meeresböden
• Animationen zur Expansionstheorie (Website des Comiczeichners Neal Adams)
• Internationales Kolloquium Erdexpansion – eine Theorie auf dem Prüfstand