Das Große Bombardement der Frühzeit

In den ersten eineinhalb Milliarden Jahren wurde die Erde besonders heftig aus dem All attackiert. Damals wirkten Einschläge von Hunderte Kilometer großen Geschossen sich auf die Zusammensetzung, Oberflächenstruktur und Rotation der frühen Erde aus. Zudem könnten sie einen Einfluss auf den Wassergehalt, das Klima und die Tektonik gehabt haben. Vermutlich besteht auch ein Zusammenhang mit den heutigen Vulkanausbrüchen. Hinweise finden sich unter anderem in Gestein aus Australien, Kanada und Südafrika. Laut Forschern um Simone Marchi vom Southwest Research Institute in Boulder verweisen Impaktspuren in Erd- und Mondgestein auf ein Bombardement, bei dem die Erde und ihr Trabant vor über vier Milliarden Jahren mehrmals getroffen wurden. Ihrer Publikation von 2014 zufolge fanden auf der Erde ein bis vier Impakte von über 600 Meilen (knapp 1.000 Kilometer) großen Brocken statt. Sie könnten die gesamte Erdoberfläche sterilisiert haben. Bei den Einschlägen von mehr als 300 Meilen großen Objekten könnte das Meerwasser drei bis sieben Mal verdampft sein. Angesichts dessen trägt das Erdzeitalter Hadaikum den passenden Namen. In antiken Mythen der Griechen herrscht der Gott Hades unerbittlich im Totenreich.
Drei Jahre danach wiesen Marchi und Kollegen darauf hin, dass die Erdmasse durch die gewaltigen Einschläge ein bis zweieinhalb Prozent zugenommen haben könnte. Bis zu 1.000 Kilometer große Impaktoren, die sich mit 24 Sekundenkilometer näherten und mit verschiedenen Aufprallwinkeln auf der Erde einschlugen, könnten Silikate sowie Elemente wie Iridium, Platin und Gold mitgebracht haben. Sie verteilten sich von der Kruste bis in den Kern. Ein Beleg für die Korrektheit der detaillierten Analyse sind Gesteine aus Grönland und Südafrika mit einem hohen Wolframanteil. Das Metall stammt vermutlich aus dem Weltall. Industriell wird es unter anderem bei der Produktion von Glühdraht in Glühbirnen und extrem harten und hitzebeständigen Legierungen verwendet.
Manche Impakte der terrestrischen Frühzeit könnten sich bis heute auswirken. So wird diskutiert, ob die ältesten Felsgesteine für die spätere Bildung der Kontinente durch die Extremhitze bei Einschlägen entstanden sind. Gesteinsanalysen der 4,02 Milliarden Jahre alten Idiwhaa-Formation in Kanada, die ein Forscherteam um den Geologen Tim Johnson von der australischen Curtin University in Perth vornahm, deuteten 2018 an, dass Basalt der jungen Erdkruste durch extreme Hitze und Drücke zu leichterem Gneis wurde, der bei der Kontinentalbildung eventuell beteiligt war. Er entstand vermutlich nicht in der unteren Erdkruste, da der damalige Druck dort zu gering war. Daher könnte ein Zusammenhang zwischen dem Großen Bombardement der Frühzeit und dem Vorhandensein der heutigen Kontinente bestehen.
Wann genau die Plattentektonik begann und wodurch sie zu Stande kam, wird noch erforscht. Titan-Isotope in Schiefer verweisen auf einen Start vor circa 3,5 Milliarden Jahren, Einschlüsse in Diamanten auf einen späteren Beginn. Geophysikalischen Simulationen eines Teams um den Planetologen Craig O`Neill von der Macquarie University in Sydney zufolge sind Impaktoren mittlerer Größe von etwa 70 Kilometer Durchmesser bereits in der Lage, eine kurzfristige Subduktion herbeizuführen. Bei dem Vorgang schiebt sich ein Teil des Erdmantels mit höherer Dichte unter einen leichteren, der dabei angehoben wird.
Bei der 2019 veröffentlichten Studie wurde die thermische Auswirkung von Asteroiden mit verschiedenen Durchmessern auf den Erdmantel berücksichtigt. Es zeigte sich, dass langsame Umwälzungen im oberen Bereich der Erde durch wiederholte Einschläge von ungefähr 70 Kilometer großen Brocken zu Stande kommen können. Bei den Impakten kann sich die Dichte des Gesteins durch regionale Hitzeschübe stellenweise verändern und dadurch eine Strömung initiiert werden, bei der Bereiche des Mantels mit verschiedener Dichte in Bewegung geraten. Daher könnte die Erdmantelkonvektion als Antrieb der globalen Plattentektonik einen kosmischen Auslöser gehabt haben. Durch die Plattentektonik entfernt sich heute Nordamerika von Europa und die Indo-Australische Platte schiebt sich unter die Eurasische.
Das Alter von Glaskügelchen, die im nordwestaustralischen Pilbara-Kraton bei extrem hoher Temperatur aus Gestein entstanden sind, durch Extremhochdruck verdichtete und zusammengebackene Trümmer von Kieselgestein und die asteroidentypische Konzentration von Chrom, Nickel und Platin in Gesteinen weisen auf einen Impakt vor etwa 3,46 Milliarden Jahren hin, bei dem die freigesetzte Energie laut einer 2016 publizierten Studie von Forschern um Andrew Glikson von der Australian National University zu gewaltigen Erdbeben und Felsen zerschlagenden Tsunamis führte. Falls die Plattentektonik noch nicht vorlag, könnte sie in Gang gesetzt worden sein. Bei Bestehen wurde sie vermutlich verstärkt.
Einer 2012 von Brandon Johnson und Jay Melosh von der Purdue University in Indiana publizierten Studie zufolge kam es vor 4,2 bis 3,5 Milliarden Jahren wiederholt zu Verwüstungen der Erde durch Objekte aus dem Asteroidengürtel. Die Impaktkrater bestehen wegen der Erosion, Sediment-, Gebirgs- und Gletscherbildung sowie Plattentektonik nicht mehr. Empirische Hinweise sind aber durch extreme Temperaturen und Drücke entstandene Gesteinskügelchen, die Platinmetalle wie Iridium enthalten. Ein Millimeter große Sphärulen entstehen, wenn Gestein unter Hochdruck über 2.000 Grad Celsius erhitzt wird. Die herausgeschleuderten Kügelchen aus geschmolzenem Gestein erkalten in der Luft und fallen zu Boden. Aus dem Ausmaß der Verteilung kann auf die Impaktstärke geschlossen werden. Werden gleichaltrige Sphärulen global angetroffen, war der Brocken mindestens zehn Kilometer groß.
Das Bombardement der Frühzeit könnte sich auch auf Vulkaneruptionen auswirken, da die bei gewaltigen Impakten in Wärmeenergie umgewandelte Bewegungsenergie teilweise bis in den Erdkern gelangt und von dort im Laufe der Zeit nach oben steigt. Im Mantel bildet sich basaltisches Magma in etwa 80 bis 150 Kilometer Tiefe, wenn eine Hitze von 1.100 Grad Celsius die Gesteine erglühen lässt. Granitisches Magma entsteht aus Gesteinen der Erdkruste bei geringerer Temperatur. In mit Magma gefüllten Kammern sondern sich die eisenhaltigen Anteile der Schmelze durch den starken Druck ab und sinken wegen des größeren Gewichts nach unten. Das leichtere Magma steigt nach oben, ergießt sich und erstarrt zu Lava. Daher könnte eine Beziehung zwischen der freigesetzten Energiemenge bei Impakten der Frühzeit und den Vulkanausbrüchen der Gegenwart bestehen.
Vor etwa 3,26 Milliarden Jahren könnte ein Impakt die Plattentektonik verstärkt haben. Laut einer 2014 veröffentlichten Studie von Norman Sleep und Donald Lowe von der Stanford University könnte ein bis zu 58 Kilometer großer Asteroid einen Krater mit einem Durchmesser von maximal 500 Kilometern erzeugt haben. Die freigesetzte Energiemenge führte zu Erdbeben mit der Maximalstärke von über 10,8 und verheerenden Flutwellen. Bis Hunderte Sekunden länger als heute könnten die Erdbeben gedauert haben. Geologische Indizien werden insbesondere im Barberton-Grünstein-Gürtel im südlichen Afrika angetroffen.
Auf eine lange Dauer des Großen Bombardements verweisen gemäß einer Studie von Experten um William Bottke vom Southwest Research Institute in Boulder bei extrem hohen Drücken und Temperaturen gebildete Kügelchen aus geschmolzenem Gestein in zentimeterdicken Schichten hin. Der 2011 publizierten Studie zufolge erreichte die Einschlagserie vor 3,9 Milliarden Jahren den Höhepunkt und schwächte sich bis vor etwa 2,5 Milliarden Jahren ab. Danach könnte durchschnittlich ungefähr alle 40 Millionen Jahre ein Asteroid auf der Erde eingeschlagen sein. Durch die Schwerkraft Jupiters und Saturns könnten Brocken der Hungaria-Gruppe des Asteroidengürtels ins innere Sonnensystem gelenkt worden sein, die mit der Erde kollidierten. Besonders die Wanderung der zwei großen Gasplaneten könnte zu einem längerfristigen Beschuss der Erde geführt haben.
Eine kürzere Dauer des frühen Bombardements vermutete 2019 ein Team um den Geologen Stephen James Mojzsis von der University of Colorado in Boulder. In Anbetracht der Zirkon-kristalle in Meteoriten, die bei Einschlägen auf dem Mars und dem Asteroiden Vesta herausgeschleudert wurden und die Erde erreichten, und der Anzahl der Impaktkrater auf Merkur, Mars und Monden könnten die heftigsten Impakte sich vor 4,48 bis 4,45 Milliarden Jahren ereignet haben. Die Oberflächen der untersuchten Himmelkörper seien bereits vor über 4,4 Milliarden Jahren größtenteils erstarrt gewesen. Deshalb habe die Erde schon relativ früh über für Lebewesen geeignete Rahmenbedingungen verfügt.