Expansionstheorie

Grafische Darstellung der Erdexpansion: Zunahme der Größe des Planeten im Laufe der Erdgeschichte (von unten nach oben) und Entstehung der heutigen Konfiguration der Kontinente. Links: Westliche Hemisphäre mit Öffnung des Atlantiks. Rechts: Östliche Hemisphäre mit Öffnung des Pazifiks.

Die Expansionstheorie der Erde (auch Expansionshypothese genannt) ist eine gegen Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte und besonders in den 1950er- und 1960er-Jahren diskutierte Theorie, welche die von Alfred Wegener postulierte Kontinentaldrift und das Auseinanderbrechen des Superkontinents Pangaea durch eine ständige Vergrößerung des Erdradius zu erklären versucht. Als wichtigste Vertreter gelten der deutsche Geowissenschafter Ott Christoph Hilgenberg, der ungarische Geophysiker Laszlo Egyed und der australische Geologe Samuel Warren Carey.

Die Theorie wird im wissenschaftlich-akademischen Umfeld nicht mehr vertreten, seit die Plattentektonik die Bewegung der Kontinente anhand von Konvektionsströmen im Erdmantel erklären kann. Inzwischen sind exakte Vermessungen der Erde möglich. Sie zeigen, dass gegenwärtig keine Expansion stattfindet.

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. Wegener sah Ähnlichkeiten zu seiner eigenen Theorie der Kontinentaldrift und erkannte Mantovani als einen seiner Vorgänger an, er erwähnte jedoch Mantovanis Erdexpansionshypothese nicht.

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.

Dagegen nahmen Bernhard Lindemann (1927),Jacob Karl Ernst Halm (1935), László Egyed (1956), und Hugh Gwyn Owen (1983), 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 steht die auf Wärmeausdehnung basierende Theorie im Widerspruch mit den meisten modernen Prinzipien der Rheologie; eine anerkannte Erklärung für die benötigten Phasenübergänge steht noch aus. Wie A. D. 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 mit der Größe der damals lebenden Dinosaurier nur in Einklang zu bringen, wenn vorausgesetzt wird, dass diese im Wasser lebten, oder damit, dass die Erde in den betreffenden geologischen Zeitaltern eine geringere Masse hatte.

Ausdehnung durch Massenzunahme

Hilgenbergs Globen zur Erdexpansion

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. Das erste umfassende Werk über die Expansion der Erde mit dem Titel „Vom wachsenden Erdball“ veröffentlichte 1933 Ott Christoph Hilgenberg. Er hatte den Versuch gemacht, die Kontinente auf einer Erdkugel kleineren Durchmessers möglichst lückenlos unterzubringen und neigte zu der Ansicht, dass die Ozeanbecken sich erst durch eine Ausdehnung, die Expansion der Erde, gebildet hatten. Heute gilt die Neubildung von Lithosphäre an ozeanischen Spreizungszonen als anerkannte Tatsache. Diesbezüglich wurde angemerkt, dass nicht direkt nachgewiesen werden kann, ob die an den Rändern einiger Ozeanbecken stattfindende Subduktion in früheren geologischen Zeitaltern die gleiche Geschwindigkeit hatte wie die damalige Ozeanbodenspreizung, da die abgetauchten Ozeanböden nicht mehr vermessen werden können. Das relativ geringe Alter der ältesten heutigen Ozeanböden (nur selten mehr als 200 Millionen Jahre) im Vergleich zur ältesten kontinentalen Kruste (mehr als 4000 Millionen Jahre) weisen jedoch darauf hin, dass die Subduktionsraten nicht erst im Laufe der letzten paar 100 Millionen Jahre deutlich zugenommen haben können.

Samuel Warren Carey

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 bliebe zumindest annähernd konstant und nähme nicht ab. Wäre die Massenzunahme größer als die Zunahme des Radius, hätte die Schwerkraft bis heute sogar zugenommen, und die enorme Größe einiger Dinosaurier wäre nach Ansicht Careys mit einer seinerzeit geringeren Schwerkraft leicht zu erklären.

Jedoch ist die Entstehung von neuer Erdmaterie durch Absorption von „Äther“ mit der modernen Physik nicht zu vereinbaren, schon allein weil im Weltraum nachweislich kein „Äther“ existiert, jedenfalls nicht im ursprünglichen Sinne der Äther-Hypothese. Die einzige von der modernen Physik akzeptierte „Materie“, die dem „Äther“ zumindest halbwegs nahekommt, sind Neutrinos, die allerdings mit der Materie der Erde faktisch nicht wechselwirken sondern sie einfach durchdringen und die zudem faktisch masselos sind.

Von Satelliten aus vorgenommene Messungen zeigen, dass gegenwärtig pro Tag einige hundert Tonnen kosmischen Staubs in die Erdatmosphäre eindringen. Ein Teil wird mit dem Regen ausgewaschen und gelangt in die Gewässer und auf die Erde.

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. 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 den Faktor 10 geringerer Wert, als ihn Jordan für seine Theorie benötigt.

Erdexpansion und Subduktion

Entstehung der Kontinente und Ozeane

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 Ozeanboden durch Ozeanbodenspreizung an den mittelozeanischen Rücken. In der Expansionstheorie fehlt der Ausgleich durch den Prozess der Subduktion, durch den alte Kruste absinkt, die Entstehung von neuer Kruste somit kompensiert und einen 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. Eine Ausnahme ist z. B. Owen, der die Erdexpansion mit plattentektonischen Prozessen wie der Subduktion kombiniert.

Form der Kontinente: Als Hauptargument für die Erdexpansion wird von den 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 wird dabei ein idealer Radius von ca. 50–60 % des heutigen Wertes im Mesozoikum vor 250 Mio. Jahren angenommen. Einigkeit besteht darüber, dass die Entstehung der mittelozeanischen Rücken gegen Ende des Perm bzw. im Mesozoikum begann und zwar auch im Pazifischen Ozean. Deshalb wird im Gegensatz zur Theorie der Plattentektonik auch eine Übereinstimmung der Konturen bei den gegenüberliegenden pazifischen Küsten postuliert, wofür verschiedene Modelle vorgeschlagen wurden. Eine Ausnahme ist hier wieder Owen, der einen Radius von 80 % des heutigen Wertes annimmt, eine Übereinstimmung der pazifischen Küsten ist bei ihm nicht vorgesehen.

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. Hingegen erklärt die Theorie der Plattentektonik die Entstehung von Faltengebirgen mit dem Materialstau unter dem in horizontaler Richtung wirkenden Druck sich aufeinander zubewegender tektonischer Platten. Ein markantes für die Plattentektonik sprechendes Beispiel ist der indische Subkontinent, der sich von Afrika löste und sich durch die vom indisch-arabischen Rücken ausgehende Verbreiterung des Ozeanbodens nach Nordosten verlagerte, bis die indische Platte die Tethys hier verschwinden ließ und mit Druck an Asien herangeschoben wurde, 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. 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 eines 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. Ozeanische Erdkruste ist im Vergleich zu den Kontinentalkrusten viel jünger. Die ältesten ozeanischen Krusten sind maximal 280 Mio. Jahre alt (mit Ausnahme auf Kontinente aufgeschobener ozeanischer Kruste, sogenannte Ophiolithe), während die Kontinentalkrusten bis zu 4,2 Mrd. Jahre alt sind. Da die ozeanischen Krusten eine geringere Dicke als die kontinentalen aufweisen und sich Risse an den schwachen Stellen bilden, wird das junge Alter der ozeanischen Lithosphäre nach dieser Theorie durch eine vollständige Neubildung der Ozeanböden während der letzten 300 Mio. Jahren erklärt. Die Theorie der Plattentektonik hingegen erklärt das junge Alter der ozeanischen Lithosphäre als Ergebnis eines Kreislaufs zwischen Neubildung und Subduktion, den es bereits seit mindestens 3,8 Mrd. Jahren gibt.

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. 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. Carey hingegen verwirft die Subduktion vollständig und nimmt deswegen eine schnelle Expansion an. Es stellt sich dabei jedoch die Frage, warum die Pangaea erst im Mesozoikum zerbrach und was in den Milliarden Jahren vorher geschah. Er ergänzte deswegen seine Hypothese mit der Annahme, dass die Expansion zu Beginn relativ langsam verlaufen sei, mit der Zeit sei die Expansionsrate jedoch exponentiell angestiegen. Eine Begründung für diese Beschleunigung konnte er jedoch nicht angeben.

Widerlegungen der Erdexpansion

• Wu et al. führten 2011 eine Präzisionsmessung des International Terrestrial Reference Frame (unter Benutzung von Satellite Laser Ranging, Very Long Baseline Interferometry, Global Positioning System, und Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) durch und kombinierten dies mit Daten des Gravity Recovery And Climate Experiments. Diese ergab, dass in den letzten Jahren die maximale jährliche Vergrößerung des Erdradius nicht mehr als 0,2 mm betrug, was im Rahmen der Messgenauigkeit bedeutet, dass in diesem Zeitraum keine Expansion stattgefunden hat.

• Williams (2000) 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 nicht haltbar sei.

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

• 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, in denen die Plattentektonik das Absinken der Erdkruste in den Erdmantel voraussagt.
• Petrologische Erforschung von Gesteinen aus Gebirgsketten zeigen an, dass diese oft aus sehr tiefen Stellen kommen, wobei diese vertikale Bewegung durch das Wechselspiel von Subduktion und Obduktion 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 nebeneinander 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 sicherer 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, gilt heute allgemein die Auffassung, dass das Erdexpansionskonzept falsch sei. Eine gegenwärtige Erdexpansion konnte experimentell nicht verifiziert werden, ebenso konnte noch kein akzeptabler Mechanismus zur Erklärung der Expansion erstellt werden. Die Theorie kann weder die zahlreichen Prozesse der Geodynamik noch die durch die verschiedenen Disziplinen der Geologie (z. B. Tektonik, Paläomagnetismus, historische Geologie) zusammengetragenen Erkenntnisse über die Paläogeographie der Erde sowie das durch Seismik ermittelte Bild der Erdkruste und des obersten Erdmantels erklären. Diese Tatsachen, zusammen mit der Weiterentwicklung der Theorie der Subduktion, führten zum Verschwinden der Theorie aus der derzeitigen wissenschaftlichen Diskussion.

Siehe auch

• Mobilismus versus Fixismus
• Pulsationshypothese
• Kontraktion (Physik)
• Geschichte der Geologie, NUVEL-Modell

Weblinks

Commons: Expansionstheorie – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• 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
• National Oceanic and Atmospheric Administration: Alter der Meeresböden