Nach dem derzeitigen Stand der Forschung begann die Geschichte der Erde mit einer gewaltigen Explosion eines massereichen Sterns, einer Supernova. Woher man das weiß? Vom Studium der Meteoriten, die als Überreste bei der Entstehung des Sonnensystems übrig blieben. Eine große Bedeutung erhält hierbei die Untersuchung von Isotopen. Von was? Von Isotopen. Also gut, ab in die Kernphysik. Will man nämlich verstehen, was sich aus Steinen ablesen lässt, muss man wissen, wie Atomkerne aufgebaut sind und wie sie zerfallen.

Jedes Atom besteht aus einem Atomkern mit positiver elektrischer Ladung und negativ geladenen Elektronen, die den Kern umkreisen. Jedes chemische Element – zum Beispiel Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Eisen usw. – verfügt über eine bestimmte Anzahl von Elektronen. Da Atome elektrisch neutral sind, hat der Atomkern selbst eine positive Ladung, die der Summe der negativen Ladungen aller Elektronen im Atom entspricht. Der winzige Atomkern seinerseits besteht aus positiv geladenen Protonen und Neutronen ohne elektrische Ladung. Wäre das Münchener Olympiastadion das Atom, in dem die Elektronen herumsausen, dann wäre der Atomkern ein Reiskorn am Anstoßpunkt im Mittelkreis – so ein Atom ist also ziemlich leer.

Zurück zu den Elementen: Jedes Element besitzt eine genau festgelegte Zahl an Elektronen und Protonen. So hat Sauerstoff acht Elektronen in Umlaufbahnen und acht Protonen im Kern. Normalerweise sind auch acht Neutronen im Kern, die dem Atom zwar ein höheres Gewicht geben, aber an der elektrischen Ladung des Kerns nichts ändern. Ab und zu aber gibt es auch Sauerstoffkerne mit neun oder zehn Neutronen. Diese Abarten von chemisch völlig normal reagierendem Sauerstoff nennt man Isotope. Die Isotope von Elementen unterscheiden sich nur durch das Gesamtgewicht, nicht durch ihre chemischen Eigenschaften. Normaler Sauerstoff wird mit dem Symbol ¹⁶O gekennzeichnet, die schwereren Isotope sind ¹⁷O und ¹⁸O.

Im Allgemeinen würde man auf 2600 ¹⁶O-Atome je ein Atom ¹⁷O und fünf Atome ¹⁸O finden. Bei der Untersuchung von Meteoriten dagegen, bei denen man davon ausgeht, dass sie sich seit der Entstehung des Sonnensystems im Weltraum befunden haben, stellte sich heraus, dass kleine Metalleinschlüsse im Meteorit reines ¹⁶O enthielten, also kleine seltenen Isotope. Für dieses Ergebnis gibt es keine chemische Erklärung, weil, wie gesagt, alle Isotope das gleiche chemische Verhalten aufweisen. Erklären lässt sich das nur durch die Vorstellung, dass das ¹⁶O seit der Entstehung des Sonnensystems in dem Meteoriten enthalten war. Nur in einer Supernova-Explosion bildet sich reines ¹⁶O ohne die seltenen Isotope.

Da in unserer Milchstraße etwa alle 30 Jahre eine Supernova explodiert, ist das zunächst keine Überraschung; irgendein großer Stern, der irgendwann explodierte, war die Heimat des Meteoritenmaterials. Wir kennen zwar nicht den Stern, der für den Meteoritenstoff verantwortlich war, denn der Stern hinterlässt, wenn überhaupt, nur einen sehr kleinen, ungefähr zehn Kilometer großen Überrest, der nur für einige Millionen Jahre noch beobachtbar ist: einen so genannten Neutronenstern. Davon an anderer Stelle mehr. Aber wir wissen, wie lange vor der Entstehung des Sonnensystems dieser Stern explodiert sein muss: nur einige hunderttausend Jahre!

Woher wir das wissen? Ebenfalls von Isotopen, dem Verhältnis von Magnesium zu Aluminium. Magnesium hat normalerweise 12 Protonen und 12 Neutronen. Viel seltener ist das Isotop ²⁶Mg mit 14 Neutronen. In etlichen Meteoriten fand man mehr ²⁶Mg als erwartet. Das könnte vom radioaktiven Zerfall des Aluminiumisotops ²⁶Al herrühren. Die Zerfallszeit beträgt rund 750 000 Jahre, und da das ²⁶Mg sich in Mineralien in den Meteoriten befand, in denen man normalerweise mit dem Vorkommen von Aluminiumatomen rechnet, ergibt sich als theoretisches Modell folgendes Bild: Weniger als eine Million Jahre vor der Entstehung des Sonnensystems fand in der Nähe eine Supernova statt, bei der Staubteilchen, die ²⁶Al enthielten, in die Gaswolke hineingeschleudert wurden, die später das Sonnensystem hervorbrachte. Das Aluminium wurde eingeschlossen in die Minerale, die sich zu einem kleinen Asteroiden vereinigten. Während der langsame Prozess der Planetenbildung ablief, zerfiel das Aluminium in Magnesium. Irgendwann prallte dieser Asteroid mit einem zweiten zusammen und stürzte auf die Erde. 1969 fiel eines dieser Bruchstücke auf die Erde und damit den Wissenschaftlern in die Hände, die dieses Geheimnis aus dem außerirdischen Stein entschlüsseln konnten.

Tja, so ist das mit der Astrophysik – winzige Atomkerne können eine wirklich kosmische Geschichte erzählen, weil die Naturgesetze im Universum überall dieselben sind. Für einen Sauerstoff- oder Aluminiumkern gelten die Gesetze der Kernphysik überall in der gleichen Weise, und dabei ist es völlig egal, ob diese Elemente auf der Erde oder irgendwo im Universum vorkommen.

Zurück zu unserer Gaswolke, aus der einmal die Sonne mit ihren Begleitern, den Planeten, werden soll. Wir wissen also jetzt, dass die Druckwelle, die die Explosion ausschickte, an anderer Stelle nach weniger als einer Million Jahren eine riesige Gas- und Staubwolke zusammenballte. Die bis dahin weit verteilten Wasserstoff- und Heliumatome dieser Wolke durchmischten sich mit all den schwereren Elementen wie zum Beispiel den lebenswichtigen Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Eisen, die in der Supernova erbrütet und bei deren Explosion in den Weltraum hinausgeschleudert wurden. Gleichzeitig wurden alle Atome langsam zum Zentrum der Wolke getrieben. Dabei nahm die gegenseitige Anziehungskraft zu, sodass sich die Wolke langsam zusammenzog. Verwirbelungen innerhalb der Wolken sorgten für kleinere, rotierende Fragmente, die bald ganz losgelöst von der Umgebung anfingen, weiter zu kollabieren und dabei immer schnell zu rotieren begannen; wie ein Eiskunstläufer, der bei der Drehung um die eigene Achse seine Arme anzieht und sich dabei immer schneller dreht. Ein solches Fragment drehte sich schließlich nach etlichen Millionen Jahren mit einem solchen Tempo, dass es sich allmählich zu einer dünnen, rund 80 Milliarden Kilometer großen Scheibe verformte. Dies war der solare Urnebel, aus dem Sonne und Sonnensystem entstehen sollten.

Es vergingen wieder zehntausende von Jahren, in denen die schweren Elemente wie Eisen und Nickel zum Zentrum des solaren Urnebels sanken. Dieses Zentrum wurde beim Kollaps immer heißer, während der Rand der Scheibe sich zunehmend abkühlte. Dort stießen kleine Staubpartikel zusammen, wuchsen zu größeren Körnern und schließlich zu Gesteinsbrocken und so genannten Planetesimalen von einigen Kilometern Durchmesser. Um die sich im Zentrum bildende Ursonne prallten unzählige Planetesimale aufeinander und verschmolzen zu Protoplaneten. Diese ganz schweren Brocken von etlichen hundert bis tausend Kilometern Durchmesser zogen nun noch mehr Material aus der Umgebung an. Im Zentrum des Nebels hatte sich die Ursonne nun schon so weit verdichtet, dass sie fast die gesamte Masse des einstigen Fragments in sich vereinigte – sie fing an, im Innern zu brennen. Ihr thermonuklearer Reaktor sprang an, Wasserstoff wurde zu Helium verschmolzen, Energie wurde freigesetzt, und schließlich fing die Sonne an zu strahlen. Die Planeten waren aber noch nicht fertig. Auch die Erde hatte ihre endgültige Form noch nicht gefunden, und sie sollte noch einiges erleben, bis sie sich zum »Garten Eden« des Sonnensystems entwickelt hatte.

Zunächst sah sich unsere Urerde einem immer noch gewaltigen Bombardement durch Gesteinsbrocken ausgesetzt. Das junge Sonnensystem war durchsetzt von zahllosen Asteroiden, die auf chaotischen Bahnen die nahezu kreisförmigen Planetenbahnen durchkreuzten und oft genug einschlugen. Jeder Einschlag brachte Energie und neue kosmische Materie auf die Erde. Die Urerde war ziemlich heiß, ihre Oberfläche flüssig. Ihre Atmosphäre bestand zunächst fast nur aus Wasserstoff. Als die Sonne aber richtig zündete, entfachte sie auch einen Wind, den so genannten Sonnenwind, der mit bis zu 2000 Kilometern pro Sekunde seine geladenen Teilchen über die Planeten fegte. Die Erde war zu leicht, um ihre Atmosphäre vor diesem Sonnensturm zu schützen. Der Sonnenwind trieb das Gas aus dem Innern der Scheibe weit nach draußen. Dort entstanden die großen, gasförmigen Planeten.

Über viele Millionen Jahre gab es keinerlei wesentliche Entwicklung auf der Erde. Als ziemlich toter Gesteinsbrocken umrundete sie die Sonne. Ihre heiße und flüssige Oberfläche kühlte sich ab, verfestigte sich, platzte wieder auf und schrumpfte zusammen. Die Schrumpfung heizte das Erdinnere immer weiter auf, bis selbst Metalle anfingen zu schmelzen. Die Erde begann zu »leben« – zumindest geophysikalisch betrachtet.

Die äußerlich ruhige Erde verbarg allerdings unter einer sehr dünnen Kruste ein sehr aktives Innenleben, das immer mal wieder durch die abgekühlte Oberfläche brach. Eingeschlossen im zusammengewürfelten Material befanden sich auch sehr schwere chemische Elemente, die in weniger als ein, zwei Minuten während der Explosion der Supernova in den mit einigen zehntausend Kilometern pro Sekunde herausrasenden, mehrere Milliarden Grad heißen Sternhüllen erbrütet wurden: Thorium und Uran. Diese sehr großen Atomkerne mit mehr als 230 Kernbausteinen sind instabil, sie zerfallen radioaktiv. Dabei werden hochenergetische Teilchen und Gammastrahlung frei, die das Material um den zerfallenden Kern aufheizen. Die freigesetzte Energie war dermaßen hoch, dass das Erdinnere nicht nur durch den Druck von oben, sondern auch durch die verschiedenen radioaktiven Zerfallsprozesse so stark erhitzt wurde, dass es schmolz. Von außen prallten noch immer Meteoriten der unterschiedlichsten Größe mit einer Geschwindigkeit von bis zu elf Kilometer pro Sekunde auf die Kruste, durchschlugen sie und gaben ihre gewaltige Bewegungsenergie in Form von Wärme an das Erdinnere ab. Damit trugen auch die Meteoriten zum Aufheizen und Aufschmelzen des Erdmaterials bei. Diese Aufschmelzung führte zu einer Trennung der leichten und schweren Elemente. Die Schwerkraft der Erde zog das schwere Eisen und Nickel hin zum Zentrum. Diese beiden Elemente bildeten einen ersten einfachen Erdkern. Die immer noch sehr heiße, weiß glühende Schlacke aus dem weniger dichten, leichteren Material, das hauptsächlich aus Silikaten (das sind Siliziumverbindungen wie Quarz) bestand, strömte in Richtung Erdkruste und bildete eine Kugelschale aus flüssigem Gestein, den Erdmantel. Dieses Aufströmen transportierte auch radioaktive Elemente mit nach oben, die dort aufgrund ihres radioaktiven Zerfalls die Umgebung so sehr aufheizten, dass das Erdinnere selbst heute noch sehr heiß und flüssig ist.

Die zum Erdkern absinkenden schweren Elemente setzten Gravitationsenergie frei. Zusammen mit den radioaktiv zerfallenden schweren Atomkernen Uran und Thorium wurde damit genügend Wärme erzeugt, um auch das zum Zentrum hinsinkende Eisen aufzuschmelzen. Auf diese Weise entstand ein noch heute anhaltender Wärmeüberschuss im Erdinnern, der zu so genannten Konvektionsströmungen im geschmolzenen Gestein des Erdmantels führte. Wie ein Topf mit Tomatensauce auf einer heißen Herdplatte immer wieder aufkocht, so brach geschmolzenes Gestein unter dem Druck der inneren Strömungen an den dünnsten Stellen der Erdkruste durch die Oberfläche. Es entstanden gewaltige Vulkankegel und Seen aus geschmolzenem Gestein, die die ursprüngliche Kruste zuschütteten und einebneten.

Konvektionsströme aus flüssiger Materie kühlten die Erde langsam ab. Es bildete sich eine neue Erdkruste über dem Erdmantel. Tief im Erdinnern aber wurden die Bestandteile des Erdkerns weiter getrennt. Der zunehmende Druck ließ den zentralen Bereich wieder erstarren, dabei blieb das Eisen des äußeren Erdkerns flüssig. Die auf- und abfließenden Strömungen des flüssigen Eisens setzten einen gigantischen elektrischen Prozess in Gang. Es entstand ein »Dynamo«, eine Maschine, die, verursacht durch die Metallflüsse, gewaltige elektrische Ströme erzeugte, die ihrerseits ein Magnetfeld hervorriefen, das den ganzen Erdkörper durchdringt und sogar bis in den Weltraum hinaus reicht. Das Erdmagnetfeld hat die gleiche Form wie die eines Stabmagneten, dessen Feld sich ja auch weit über ihn hinaus erstreckt. Bei der Erde wirkt das Magnetfeld wie ein Schutzschild. Es schirmt die Erdoberfläche ab vor den energiereichen Teilchen, die die Sonne mit hoher Geschwindigkeit produziert.

Aber auch an der Erdoberfläche zeichneten sich Veränderungen ab. Aus der Oberfläche der heißen Lava wurden große Mengen an Gasen förmlich herausgekocht. Diese Gase, Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ammoniak, die aus dem heißen Erdinnern nach außen in die eiskalte Umgebung drangen, bildeten im Laufe der Zeit eine erste Atmosphäre um den jungen Planeten.

Wir haben soeben ein gängiges Wort so einfach hingeschrieben: Wasserdampf. Das Wasser nämlich, das im Gestein des Erdmantels eingeschlossen war, drang als Dampf aus den glühenden Vulkanschloten empor. Aber wie kam das Wasser auf die Erde? War es schon da, als sich die Erde bildete? Entstand es durch chemische Reaktionen auf der Planetenoberfläche, oder haben Meteoriten die ungeheure Menge an Wasser auf die Erde getragen?

Wasser ist die häufigste chemische Verbindung auf der Erdoberfläche. Heute bedeckt es ungefähr 71 Prozent der Oberfläche unseres Planeten. Insgesamt wird der Wasserbestand auf 1,3 Milliarden Kubikkilometer Salzwasser und nur 4,2 Millionen Kubikkilometer Süßwasser geschätzt. Wo hatte es seinen Ursprung?

Wenn wir einmal davon ausgehen, dass Wasserstoff und Sauerstoff als Elemente existiert haben, dann ist es kein Problem, daraus Wasser zu machen. Ein Blitz, ein erster Funke würde eine solche Atmosphäre in Form einer Knallgasreaktion in Wasser umwandeln. Bei den in der Erdfrühzeit herrschenden hohen Temperaturen entstand Wasser aber auch aus chemischen Reaktionen zwischen Kohlenwasserstoffverbindungen und dem Sauerstoff, der in den Silikatgesteinen und Eisenoxiden eingeschlossen war. Der Wasserdampf kondensierte zu Wasser. Die Erde hielt den kondensierenden Wasserdampf durch ihre Schwerkraft fest, und es begann zu regnen. So weit, so gut – aber war es wirklich so?

Neueste Tiefbohrungen lassen eine ganz andere Möglichkeit, eine sehr interessante, als die viel wahrscheinlichere erscheinen: Die Erde hat ihr Wasser durch den Aufprall von kosmischen Eistrümmern erhalten! Die Tiefbohrungen brachten nämlich ein Fluid zu Tage, das aus mehreren tausend Metern emporgepumpt wurde. Dieses sehr zähe Gemisch aus Wasser, Salzen und Gasen enthielt ein Element, das niemals irdischen Ursprungs sein kann: Helium-3, ein Isotop von Helium. Es kann nur aus dem Kosmos auf die Erde gelangt sein. In der Regel geschieht das durch Einschluss in Meteoriten. Möglicherweise hat das Fluid Helium-3 als einen Überrest von den Gesteinsbrocken aus der Frühzeit des Sonnensystems bewahrt, die das Wasser zur Erde gebracht haben könnten. Aus dem Ozean ist dieses Element längst wieder verschwunden. Aber wenige Kilometer unter unseren Füßen gibt es diesen kosmischen Stoff noch in großer Menge. Also spricht alles dafür, dass das Wasser auf der Erde zum größten Teil aus dem Weltall kommt und nicht hier auf der Erde entstanden ist.

Zurück zu unserer Urerde: Es regnete und regnete und regnete. Es goss in Strömen, Tag und Nacht. Das Wasser sammelte sich in Vertiefungen und ebnete die Kraterränder ein, die vom anfänglichen Bombardement der Meteoriten übrig geblieben waren. Das Wasser begann die Erdoberfläche zu formen; es glich Höhenunterschiede aus, löste Salze aus den Gesteinen heraus, und die salzigen Ozeane entstanden.

Noch während der Regen das Gesicht der Erde veränderte und formte, tauchte, wie oben erwähnt, ein weiteres Produkt der Kohlenwasserstoffreaktionen auf: Kohlendioxid. Da Kohlendioxid für das ankommende Sonnenlicht durchlässig ist, die längerwellige Wärmestrahlung des Planeten dagegen zurückhält, nahm dieses Gas innerhalb der Erdatmosphäre und der Erdkruste einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung des Planeten.

Ein dritter wesentlicher Bestandteil der Erdatmosphäre ist der Stickstoff, dessen Anwesenheit höchstwahrscheinlich aus einer kosmischen Verwechslung resultiert. Während der Entstehung der Erde wurden Ammoniakmoleküle, die aus Stickstoffund Wasserstoffatomen bestehen, gelegentlich an Stelle der ähnlich großen Kaliumatome in die Struktur der die Erdkruste aufbauenden Silikatgesteine eingebaut. Bei der Entstehung der Planeten wurde dann nahezu der gesamte Stickstoff wieder freigesetzt und zum Hauptbestandteil der Erdatmosphäre.

Unter den regenschweren Wolken wuchsen also einzelne Gewässer zu einem globalen Ozean zusammen. Nach zwei Milliarden Jahren hatte sich im Sonnensystem ein einzigartiger Wasserplanet gebildet. Umgeben war diese Wasserwelt von einer dünnen Atmosphäre, die im Wesentlichen aus Kohlendioxid bestand. Der Regen allerdings wusch viel vom Kohlendioxid aus, es wurde zunehmend von den oberen Schichten des Meeres absorbiert und mittels geologischer Prozesse von kalziumund magnesiumhaltigen Karbonatgesteinen chemisch gebunden und damit der Atmosphäre entzogen.

Die feste Erdkruste veränderte sich ebenfalls. Sie kühlte aus, wurde dicker und brach schließlich in ein riesiges Mosaik unterschiedlicher Platten auf. Und nun begann der für unsere Augen scheinbar unendlich langsame Tanz der verschiedenen Platten. Innere, heiße Strömungen, vom heißen Erdkern angetrieben, in dem Energie durch radioaktiven Zerfall freigesetzt wird, durchkneten den Erdkörper und bringen Bewegung in die Platten. Die Platten schwimmen wie Schiffe auf dem Ozean der heißen, flüssigen Erdmaterie. An manchen Stellen prallen sie aufeinander, anderswo öffnen sich Spalten, durch die frisches Magma aus den Tiefen aufsteigt und zu einer neuen Kruste erstarrt.

Während sich die Kontinente bildeten, wurde offenbar der Ozean zum Ursprung des Lebens. Irgendwie entwickelten bestimmte kohlenstoffhaltige Moleküle immer differenziertere Formen und Strukturen, die sich irgendwann selbst reproduzieren konnten. Es wurde eine Grenze überschritten, der Planet vollzog einen Phasensprung, als zum ersten Mal Lebewesen in seinen Meeren auftauchten.

Wir wollen nun aber wieder ins Erdinnere abtauchen und dem langen Tanz der Erdmaterie nachgehen: dem Kreislauf der Gesteine, der sich seit Jahrmilliarden vollzieht, der die Oberfläche des Planeten ständig verändert und letztlich für den Charakter unseres Heimatplaneten verantwortlich ist.