Ein Tag hat nicht immer 24 Stunden gedauert. Vielmehr dauerte er anfangs nur 4 Stunden. Die Gründe für diese extreme Schwankung erläuterte der Planetenforscher Takanori Sasaki von der Kyoto Universität während des Physik-Workshops der zweiten Phase der Interkontinentalen Akademien (ICA) am 9. März.
Sasaki sagte, dass die Entstehung der Erde und des Mondes vor 4,5 Milliarden Jahren und der Einfluss des Mondes auf den Planeten die Determinanten für die Längenschwankungen eines Tages und eines Monats im Laufe der Erdgeschichte sind.
Der Planetenforscher Takanori Sasaki
Die am meisten akzeptierte Hypothese zur Erklärung der Entstehung des Mondes ist ihm zufolge das Auftreten eines gigantischen Einschlags zwischen einem marsgroßen Körper und dem, was man als Proto-Erde bezeichnen könnte.
Aber wann genau fand dieser Einschlag statt? Um diese Frage beantwortet zu bekommen, analysieren die Forscher die Umwandlung des Isotops Hafnium-182 in das Isotop Wolfram-182, erklärt Sasaki. „Hafnium ist ein lithophiles (gesteinsliebendes) Element und Wolfram ist ein siderophiles (eisenliebendes) Element, die jeweils mit dem Mantel und dem Kern eines Sterns verbunden sind.“
Der Rieseneinschlag hat laut Sasaki einen Magma-Ozean auf der Proto-Erde erzeugt, der zu einer erheblichen Trennung zwischen Metall und Silikaten geführt zu haben scheint. Das Alter der Hafnium-Wolfram (Hf-W)-Trennung wäre demnach das Alter des letzten großen Einschlags, also das Alter der Erde und des Mondes. „Es ist möglich, zu berechnen, wie viel Wolfram der Mantel hat und so das Alter des Planeten zu bestimmen.“ Mit dieser Methode ist man zu dem Schluss gekommen, dass die Erde und der Mond zu Beginn des Sonnensystems entstanden sind, 62 Millionen Jahre nach der Entstehung des Systems, also vor 4,5 Milliarden Jahren.
Der Einschlag hat eine große Anzahl von Fragmenten um die Erde herum erzeugt, die sich dann neu gruppierten und den Mond auf einer Bahn knapp oberhalb der Roche-Grenze (Mindestabstand vom Zentrum des Planeten, den ein Satellit umkreisen kann, ohne durch die Stärke der Gezeitenkräfte zerstört zu werden) entstehen ließen, so Sasaki. Diese Grenze liegt bei einem Abstand vom dreifachen Erdradius, aber jetzt befindet sich der Mond in einem Abstand vom 60-fachen des Radius und sollte aufhören, sich zu entfernen, wenn der Abstand das 80-fache des Radius erreicht, in mehreren Milliarden Jahren.
Um den Abstand zwischen der Erde und dem Mond zu messen, verwenden die Wissenschaftler die Zeit: wie lange es dauert, bis ein Laserstrahl den Mond erreicht, reflektiert wird und die Erde erreicht. Das Lunar Laser Ranging Experiment nutzt diese Methode und die erste Messung wurde 1969 durchgeführt. Mit dieser Methode wurde festgestellt, dass der Mond 384.400 km von der Erde entfernt ist. Dann fand das Experiment eine überraschende Tatsache: Bei der Analyse der Daten von Januar 1992 bis April 2001 stellten die Forscher fest, dass sich der Mond 3,8 cm pro Jahr entfernt. „Wenn das stimmt, dann war der Mond in der Vergangenheit viel näher“, sagte Sasaki.
Es gibt einen Austausch von Drehimpulsen zwischen dem Mond und der Erde. Sasaki zitierte eine Hypothese, die im Fachbuch „Solar System Dynamics“ von Carl Murray und Stanley Dermott erwähnt wird: „Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Umlaufbahn des Mondes und die Erdrotation während der Existenz des Sonnensystems erheblich verändert haben, vor allem durch die Wirkung der halbtäglichen Gezeiten, die der Mond auf die Erde ausübt.“
Das bedeutet, dass der Mond die Wassermassen anzieht und dadurch die Geschwindigkeit der Erdrotation verringert. Gleichzeitig zieht die Gezeitenverschiebung durch die Erdrotation den Mond an, wodurch er an Drehimpuls gewinnt und sich allmählich entfernt. Auch der Mond wird langsamer, wodurch sich die Dauer des Monats verringert.
Sasaki erklärte, dass nach dem 3. Keplerschen Gesetz (das Quadrat der Umlaufzeit eines Planeten ist direkt proportional zum Kubus der halben Hauptachse seiner Bahn) die Geschwindigkeit eines Planeten umso höher ist, je näher er der Sonne ist, und umso langsamer, je weiter er entfernt ist. Dies gilt auch für das Mond-Erde-System.
Ein Versuch, die Variation der Monatslänge zu beweisen, wurde von zwei Forschern unternommen, die die Struktur einer bestimmten Art von Meeresmuschel untersuchten. Für Sasaki „ist dies ein kontroverser Artikel, aber er liefert einige interessante Hinweise.“ Die Muscheln entwickeln Linien des täglichen Wachstums in Segmenten mit monatlichem Wachstum. Analysiert man die Muscheln heute, scheint es, dass sie 30 Reihen pro Segment haben, was einen 30-Tage-Monat bedeutet. „In fossilen Muscheln von vor 400 Millionen Jahren gibt es nur 9 Linien pro Segment, was bedeutet, dass der Monat 9 Tage dauerte. Das deutet darauf hin, dass sich der Mond schneller um die Erde drehte und in einem Abstand, der 40 % kleiner war als der heutige.“
Wie lange dauerte denn ein Tag, als die Erde und der Mond entstanden? „Anfangs befand sich der Mond in einem Abstand vom dreifachen Erdradius, unmittelbar nach der Roche-Grenze. Mit diesem Abstand und dem geschätzten Drehimpuls kann man sagen, dass der Tag nur 4 Stunden dauerte. Im Laufe der Zeit entfernte sich der Mond und die Länge des Tages nahm zu: Als der Planet und sein Satellit 30.000 Jahre alt waren, dauerte der Tag sechs Stunden; als sie 60 Millionen Jahre alt waren, dauerte der Tag 10 Stunden.“
Am Ende seines Vortrags präsentierte Sasaki eine Grafik, die die Entwicklung des Lebens („obwohl er kein Experte auf diesem Gebiet ist“) mit der Länge des Tages im Laufe der Zeit in Beziehung setzt. Demnach fanden die ersten Anzeichen von Leben vor 3,5 Milliarden Jahren statt, als der Tag 12 Stunden dauerte. Das Aufkommen der Photosynthese, vor 2,5 Milliarden Jahren, geschah, als der Tag 18 Stunden dauerte. Vor 1,7 Milliarden Jahren dauerte der Tag 21 Stunden und es entstanden die eukaryotischen Zellen. Das vielzellige Leben begann, als der Tag 23 Stunden dauerte, vor 1,2 Milliarden Jahren. Die ersten menschlichen Vorfahren entstanden vor 4 Millionen Jahren, als der Tag schon sehr nahe an 24 Stunden lang war.