Mittwoch, 31. August 2011

Schwertwale bei der Jagd

Manchen Menschen gelten sie ja fast schon als die besseren Wesen, die Schwertwale. Ich persönlich finde sie ja auch ziemlich faszinierend, mit all ihrer Intelligenz. Für ihre Beutetiere müssen sie aber wirklich Furcht erregend sein. Besonders das Video, in dem eine Gruppe von Schwertwalen eine Robbe mit Hilfe einer selbst erzeugten Welle von einer Eisscholle spült, ist ein beeindruckendes Zeugnis einer intelligenten Jagdtaktik.






Mittwoch, 24. August 2011

Climategate - schon fast vergessen

Wer erinnert sich noch an den Hype um "Climategate", den Fall um die gestohlenen E-Mails, die von selbsternannten Klimaskeptikern und -leugnern aus dem Kontext gerissen als angeblicher Beleg für eine Verschwörung der Klimawissenschaftler dienen sollten? Mit deren Hilfe die Glaubwürdigkeit von Wissenschaftlern erschüttert werden sollte? Leider scheint es, manche Diskussionen zeigen es, auch gelungen zu sein. Der Angriff blieb haften, das hastige Zurückrudern der Klimaleugner hingegen nicht. Die Taktik hat also wieder einmal gezogen; Man muss nur genug und heftige Angriffe fahren, irgendetwas bleibt schon haften. In der Klimalounge wurde das Thema ja schon zum Jahrestag dieses konstruierten Skandals aufgegriffen. Leider wird es wohl auch Michael Mann nicht in die Medien schaffen, obwohl alle Vorwürfe gegen ihn, die im Rahmen von "Climategate" gegen ihn erhoben wurden, in sich zusammenfielen.

Dienstag, 23. August 2011

Tschüs, Loriot!

Zum Abschied unseres großen Humoristen möchte ich noch ein kleines Geheimnis aufklären. Wie wir alle wissen, waren die Amerikaner niemals auf dem Mond. Viele Verschwörungstheoretiker haben das ja schon immer gewusst. Aber es war nicht Kubrik, der die Regie führte, und es war auch nicht Hollywood, welches mit der filmischen Durchführung beauftragt wurde. Nein, es war niemand geringeres als Loriot. Die Amerikaner haben nur auf anderen Schauspielern bestanden...

Donnerstag, 18. August 2011

Wie eine Schnecke Krabben fängt

Schnecken sind ja nicht gerade der Inbegriff des schnellen und Furcht einflößenden Räubers. Wenn man aber genauer in die Welt der Schnecken eintaucht, findet man dort eine Vielzahl von fleischfressenden Vertretern. Und nicht wenige jagen ihre Beute. Manchmal sind auch schnellere Lebewesen wie beispielsweise diese Krabbe der Gattung Mictyris longicarpus auf dem Speiseplan einer Schnecke, hier einer Conuber sordidus. Da hilft dann auch kein Panzer und keine Schere mehr.

Dienstag, 16. August 2011

Wissenschaftler der TU Hamburg sind dem Rätsel der Entstehung von Riesenwellen auf der Spur

Sie sind rätselhaft und gefürchtet, und niemand kann vorhersagen, wo und wann sie auftauchen: Riesenwellen können Schiffe auf hoher See beschädigen und etliche bis heute verschollene Schiffe gehen vermutlich auf ihr Konto. Schon lange sucht die Fachwelt nach einem Modell, um das Entstehen von Monsterwellen abbilden zu können. Zum ersten Mal ist dies jetzt einem deutsch-australischen Forscherteam von der TU Hamburg und der National University in Canberra zum ersten Mal gelungen.
Der Physiker Prof. Norbert Hoffmann und der Mathematiker Amin Chabchoub vom Institut für Mechanik und Meerestechnik der TU Hamburg sowie der australische Physiker Nail Akhmediev von der National University in Canberra erzeugten eine Monsterwelle im Labor nach einer mathematischen Lösung. Dabei haben sie sich eine mathematische Gleichung und eine ihrer Lösungen vorgenommen, um die Theorie in der Praxis zu belegen. Der Nachweis im Versuch gelang im 15 Meter langen Wellenkanal an der TUHH. Ein Paddel erzeugt die Wellen, so dass Modulationen entstehen, ähnlich wie sie durch Wind auf dem offenen Meer hervorgerufen werden können. Diese verursachen schließlich das Anwachsen einer Welle, die dreimal so hoch ist wie die Wellen vorher und nachher.

Der Modellversuch folgt der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung, einer vereinfachten Modellgleichung für Wasserwellen. „In dieser Gleichung gibt es die so genannte Peregrine Lösung, die beschreibt, wie eine Welle aus dem Nichts entsteht und ins Nichts verschwindet. Man hat also ein ganz normales Wellenfeld, aus dem sich plötzlich eine riesige Welle auftürmt,“ sagt Chabchoub. Die Peregrine Lösung stellt ein einzelnes Wellenereignis dar und bezieht sowohl Raum als auch Zeit ein. Signifikant beim Entstehen einer Monsterwelle ist der Moment der Ruhe kurz vorher. Die Wellen werden unvermittelt flacher, bevor sich die Riesenwelle auftürmt, was häufig in einer Dreier-Formation geschieht. „Genauso wie es die Peregrine Lösung zeigt. Es ist absolut verblüffend, dass wir die Welle exakt so erzeugen konnten“, freut sich Hoffmann. Der von Erfolg gekrönte Laborversuch hat in jedem Fall eines gezeigt: Das Entstehen von Monsterwellen lässt sich durch ein mathematisches Modell und dessen Lösungen darstellen. Wie anwendbar die beobachtete Peregrine Lösung in der Realität ist, bleibt jedoch noch abzuwarten.

In jeden Fall werden sich die Forscher weiter dem Thema widmen. Gerade erst wurde ein Forschungsprojekt von der Volkswagenstiftung genehmigt. Künftig werden außer Hoffmann, Chabchoub und Akhmediev weitere Wissenschaftler, wie ein Ozeanograf von der Russischen Akademie der Wissenschaften, daran arbeiten, den Rätseln von Wellen auf die Spur zu kommen – doch den gefährlichsten unter ihnen ist man gerade ein großes Stück näher gekommen.

Obwohl das Augenmerk der Meerestechniker an der TU Hamburg auf der Theorie liegt und sie in erster Linie am mathematisch-physikalischen Verständnis der Lösungen interessiert sind, lassen sie den praktischen Nutzen nicht außer Acht, der vor allem für die Schifffahrt enorm sein könnte. Denn sollte man aufgrund von Messungen und Berechnungen Wellenverlauf und Wellenperioden voraussagen können, würde das schwere Unfälle oder sogar Katastrophen zu verhindern helfen. Vorstellbar wäre, dass an Bord eines Schiffes ein Sensor die Wellenbewegungen registriert und vor dem Auftreten einer Monsterwelle anschlägt – und sei es nur 10 bis 20 Sekunden zuvor. Dann könnten Passagiere und Besatzung gewarnt werden und der Kurs eines Schiffes ließe sich korrigieren, so dass der Aufprall weniger Schäden verursacht. Monsterwellen sind mindestens zweimal, oft dreimal so hoch wie ein Drittel der höchsten Wellen des gerade herrschenden Seegangs, gemessen von der Talsohle bis zum Gipfel. So können sie bei einem Seegang von 5 Metern etwa 15 Meter hoch werden.

„Auch für die Produzenten und Betreiber von Wellenenergiekraftwerken wären solche Berechnungen sehr hilfreich, weil die Monsterwellen die Anlagen zerstören können“, sagt Hoffmann. Erstmals mathematisch abgeleitet wurden diese Lösungen zwar bereits in den 1970er Jahren, allerdings gab es seither keinen Versuchsnachweis für sie. In der Mai-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ beschreibt das Wissenschaftlerteam um TU-Professor Hoffmann, wie es ihnen gelang, einen Wellentyp darzustellen, der theoretisch seit fast 30 Jahren bekannt ist, jedoch bis zu ihrer Entdeckung nie experimentell beobachtet wurde.

Jutta Katharina Werner 
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, Pressestelle
Technische Universität Hamburg-Harburg



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Donnerstag, 11. August 2011

Recycling im tiefen Erdinnern läuft schneller als gedacht

Abgesunkene Ozeankruste tritt in Vulkanen bereits nach 500 Millionen Jahren wieder an die Oberfläche.
Das Geo-Recycling läuft in Vulkanen viel schneller ab, als Wissenschaftler bislang annahmen. Gestein des Erdmantels, das wegen der Bewegung der Erdplatten ins Erdinnere absinkt, gelangt über Vulkane bereits nach rund 500 Millionen Jahren wieder an die Erdoberfläche. Das haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz anhand vulkanischer Gesteinsproben festgestellt. Zuvor gingen Geowissenschaftler davon aus, dass dieser Prozess etwa zwei Milliarden Jahre dauert.

So gut wie alle Inseln in den Ozeanen sind Vulkane. Mehrere von ihnen, wie zum Beispiel Hawaii, sind aus dem untersten Teil des Erdmantels entstanden. Dieser geologische Prozess ähnelt der Bewegung farbiger Flüssigkeiten in einer Lavalampe: Heißes Gestein steigt in zylindrischen Säulen, den sogenannten Mantel-Plumes, aus fast 3000 Kilometer Tiefe auf. In der Nähe der Oberfläche schmilzt es, weil der Druck nachlässt, und bricht in Vulkanen aus dem Erdinneren hervor. Die Plumes wiederum stammen ursprünglich von der ehemaligen Ozeankruste, die in der Frühzeit der Erde bis zum Boden des Erdmantels abgesunken ist. In den Plumes kommt dieses Gestein wieder an die Erdoberfläche. Bisher nahmen Forscher an, dass dieses Recycling etwa zwei Milliarden Jahre dauert.

Die chemische Analyse von winzigen, glasigen Einschlüssen im Olivinbasalt des Mauna Loa-Vulkans auf Hawaii lieferte jetzt aber die geologische Überraschung: Der gesamte Recyclingvorgang benötigt maximal eine halbe Milliarde Jahre und läuft somit viermal schneller ab als bisher angenommen.

In den mikroskopisch kleinen Einschlüssen des Gesteins finden sich Spurenelemente, die ursprünglich im Meerwasser gelöst waren und die Datierung des Recycling-Prozesses erlauben. Bevor die alte Ozeankruste in den Mantel absinkt, saugt sie sich nämlich mit Meerwasser voll, das die aufschlussreichen Spurenelemente in dem Gestein hinterlässt.

Um die Einschlüsse untersuchen zu können, hatten die Mainzer Wissenschaftler eine spezielle Laser-Massenspektrometrie-Methode entwickelt. Mit ihrer Hilfe lassen sich unter anderem Isotope von extrem geringen Strontium-Mengen analysieren. Strontium ist ein chemisches Element, das typischerweise in Spuren auch im Meerwasser vorkommt. Die Isotope eines chemischen Elementes weisen die gleiche Protonenzahl, aber unterschiedliche Neutronenzahlen auf. Da sich das Isotopenverhältnis des Strontiums im Meerwasser während der Erdgeschichte ändert, lässt sich daraus das Alter der Meerwasserreste und des umgebenden Gesteins bestimmen.

Zu ihrer Überraschung fanden die Max-Planck-Forscher in ihren Proben ein Strontium-Isotopenverhältnis, das auf ein Alter von weniger als 500 Millionen Jahren schließen lässt. Daher muss auch das Gestein, aus dem die Hawaii-Basalte entstehen, viel jünger sein als bislang angenommen.

„Das Strontium des Meerwassers ist offenbar mit der Ozeankruste in den tiefen Erdmantel gelangt, aus dem es bereits nach einer halben Milliarde Jahre in den Laven der Hawaii-Vulkane wieder zu Tage tritt“, erklärt Klaus Peter Jochum, Mitautor der Publikation. „Es jetzt wieder zu entdecken, ist eine Riesenüberraschung.“

Ebenso überraschend fanden die Wissenschaftler die große Bandbreite der Isotopenverhältnisse in den Einschlüssen einer einzigen Probe des Olivinbasalts. „Sie ist viel größer als in allen Lava-Proben, die bislang von den Vulkanen Hawaiis untersucht wurden“, sagt Alexander Sobolev. „Das deutet darauf hin, dass der Erdmantel auch in kleinen Bereichen chemisch viel heterogener ist als wir vorher dachten.“ Die Vielfalt hat sich allerdings nur in den Schmelzeinschlüssen erhalten, weil die Lava so gut durchmischt wurde.

Sobolev, Jochum und ihre Kollegen erwarten, auch bei anderen Vulkanen das gleiche Isotopenverhältnis nachweisen zu können und so die Recyclingdauer der Ozeankruste noch genauer bestimmen zu können.

Über das Max-Planck-Institut für Chemie
Am Max-Planck-Institut für Chemie (260 Mitarbeiter) werden die Erde und ihre Atmosphäre in unterschiedlichen Größenbereichen, vom Nanopartikel bis zum Planeten und von der Ökosystemdynamik bis zum globalen Klimawandel erforscht. Drei Abteilungen untersuchen das Erdsystem in Feldstudien, unter Laborbedingungen und mit Hilfe von computergestützten Modellsystemen. Somit trägt das Institut zum grundlegenden Verständnis der natürlichen Ressourcen der Erde bei und liefert notwendige Methoden für deren nachhaltige Nutzung und den Schutz der Umwelt. Mit einer International Research School und einem E-Learning Programm beteiligt sich das Institut auch aktiv an der Wissenschaftsausbildung. Das Max-Planck-Institut für Chemie beteiligt sich aktiv am Veranstaltungsprogramm 2011 zur Stadt der Wissenschaft in Mainz. Im nächsten Jahr feiert das Institut sein 100-jähriges Bestehen.
Weitere Informationen: http://www.mpic.de

Originalveröffentlichung:
Alexander V. Sobolev, Albrecht W. Hofmann, Klaus Peter Jochum, Dmitry V. Kuzmin & Brigitte Stoll
A young source for the Hawaiian plume
Nature, 10 August, 2011

Dr. Wolfgang Huisl 
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Chemie

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Deep recycling in the Earth faster than thought

 
Sunken ocean crust resurfaces from Earth’s mantle after only 500 million years.
The recycling of the Earth´s crust in volcanoes happens much faster than scientists have previously assumed. Rock of the ocean crust, which sinks deep into the earth due to the movement of tectonic plates, reemerges through volcanic eruptions after around 500 million years. Researchers from the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz obtained this result using volcanic rock samples. Previously, geologists thought this process would take about two billion years.

Virtually all of the ocean islands are volcanoes. Several of them, such as Hawaii, originate from the lowest part of the mantle. This geological process is similar to the movement of colored liquids in a lava lamp: hot rock rises in cylindrical columns, the so-called mantle plumes, from a depth of nearly 3000 kilometers. Near the surface, it melts, because the pressure is reduced, and forms volcanoes. The plume originates from former ocean crust which early in the Earth´s history sank to the bottom of the mantle. Previously, scientists had assumed that this recycling took about two billion years.

The chemical analysis of tiny glassy inclusions in olivine crystals from basaltic lava on Mauna Loa volcano in Hawaii has now surprised geologists: the entire recycling process requires at most half a billion years, four times faster than previously thought.

The microscopically small inclusions in the volcanic rock contain trace elements originally dissolved in seawater, and this allows the recycling process to be dated. Before the old ocean crust sinks into the mantle, it soaks up seawater, which leaves tell-tale trace elements in the rock. The age is revealed by the isotopic ratio of strontium which changes with time. Strontium is a chemical element, which occurs in trace amounts in sea water. The isotopes of chemical elements have the same number of protons but different numbers of neutrons. Mainz scientists developed a special laser mass spectrometry method which allowed the detection of isotopes of strontium in extremely small quantities.

To their surprise, the Max Planck researchers found residues of sea water with an unexpected strontium isotope ratio in the samples, which suggested an age of less than 500 million years for the inclusions. Therefore the rock material forming the Hawaiian basalts must be younger as previously thought.

"Apparently strontium from sea water has reached deep in the Earth´s mantle, and reemerged after only half a billion years, in Hawaiian volcano lavas," says Klaus Jochum, co-author of the publication. "This discovery was a huge surprise for us."

Another surprise for the scientists was the tremendous variation of strontium isotope ratios found in the melt inclusions in olivine from the single lava sample. “This variation is much larger than the known range for all Hawaiian lavas”, says Alexander Sobolev. “This finding suggests that the mantle is far more chemically heterogeneous on a small spatial scale than we thought before.” This heterogeneity is preserved only by melt inclusions but is completely obliterated in the lavas because of their complete mixing.

Sobolev, Jochum and their colleagues expect to obtain similar results for other volcanoes and therefore be able to determine the recycling age of the ocean crust more precisely.

The Max Planck Institute for Chemistry
Around 260 people work at the Max Planck Institute for Chemistry, researching the earth and its environment at various levels from nanoparticles to planets and from ecosystem dynamics to global climate change. There are three departments studying the earth system in field studies, under lab conditions and with the aid of computer-assisted modeling. The institute is helping develop our understanding of the earth's natural resources and providing the solutions for sustainable use of our planet and environmental protection. The institute's International Research School and E-learning program are an active contribution to scientific education. The Max Planck Institute for Chemistry is actively involved in the event program of the City of Science in Mainz in 2011. Next year the Institute celebrates its´ 100th anniversary.
More Information: http://www.mpic.de

Publication:
Alexander V. Sobolev, Albrecht W. Hofmann, Klaus Peter Jochum, Dmitry V. Kuzmin & Brigitte Stoll
A young source for the Hawaiian plume
Nature, 10 August, 2011

Dr. Wolfgang Huisl 
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Chemie
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Samstag, 6. August 2011

La Niñas ferne Auswirkungen in Ostafrika

Klimaphänomen ENSO mit Teleconnection in Ostafrika - Dürren und Überschwemmungen sind ferngesteuerte Klimaeffekte
La Niñas ferne Auswirkungen in Ostafrika
Dürren und Überschwemmungen sind ferngesteuerte Klimaeffekte

05.08.2011 | Potsdam: Klimaschwankungen in Ostafrika folgen seit 20 000 Jahren einem Muster, das offenbar eine Fernwirkung des als El Niño/La Niña bekannten ENSO-Phänomens (El Niño Southern Oszillation) ist. Während der La Niña-Kaltphase gibt es geringen Niederschlag und stärkeren Wind in Ostafrika, wohingegen die El Niño-Warmphase zu Schwachwindlagen mit häufigem Regen führt. Während der kältesten Phase der letzten Eiszeit vor etwa 18 000 bis 21 000 Jahren war zudem das Klima Ostafrikas vergleichsweise stabil und trocken. Dieses Ergebnis stellt eine internationale Gruppe von Forschern aus Potsdam, der Schweiz, den Vereinigten Staaten, den Niederlanden und Belgien in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Science“ vor (Vol. 333, No.6043, 05.08.2011).
ENSO mit seiner Warmphase (El Niño) und seiner Kaltphase (La Niña) ist eigentlich als Klimaphänomen des Pazifik bekannt. Dass es sich hier um ein Phänomen handelt, welches das Klima weltweit beeinflusst, zeigt die Studie am Beispiel der Klimaschwankungen im Osten Afrikas. Die Sedimente im Challa-See im Südosten Kenias, am Fuß des Kilimandscharo, dienen als Klimaarchiv. Hier gezogene Bohrkerne zeigen ein Streifenmuster, in dessen einzelnen Lagen sich Informationen über das Klima verbergen. „Je nach Klima schwankt die Dicke dieser Schichten zwischen 0,08 und 7 Millimetern“, führt Christian Wolff (GeoForschungsZentrum GFZ und Universität Potsdam) aus. „Ein Vergleich mit Messungen der Temperaturen im tropischen Pazifik über die letzten 150 Jahre zeigt einen engen Zusammenhang zwischen ENSO-Zyklen und den Rhythmen der Dürren und Überschwemmungen in Ostafrika.“
Hier überlagern sich nämlich zwei Klima-Muster. Den grundlegenden Rhythmus geben die jährlichen Regenzeiten vor, die mit der so genannten Innertropischen Konvergenzzone verbunden sind. Darunter versteht man das Wolkenband in Äquatornähe, das sich durch Sonneneinstrahlung und starke Verdunstung bildet. Mit dem Sonnenhöchststand im Juni auf der Nord- und im Dezember auf der Südhalbkugel wandert dieses Wolkenband und der damit verbundene Regen nord- und südwärts. Überlagert wird dieses saisonale Phänomen offenbar durch das ENSO-Phänomen.
Die Länge des gezogenen Bohrkerns erlaubte eine Rückverfolgung der Klimavariationen bis in die letzte Eiszeit. Biogeochemische Proxydaten und sorgfältige seismologische Erkundung der Sedimentlagen brachten eine sehr gute Übereinstimmung mit den Dicken der einzelnen Schichten. So ergab sich, dass auch im letzten Glazial, als die Welt global etwa 5 Grad kälter war und die Tropen aufgrund der geringeren Temperatur über weniger Energie im System verfügten, das ENSO-Phänomen als überlagertes Muster zu sehen war, wenngleich abgeschwächt. Im Vergleich dazu sind die letzten 3000 Jahre wärmer und wechselhafter, mit starken Trocken- und Dürreperioden, wie in diesem Jahr, und massiven Regenperioden, die dann häufig zu Überschwemmungen führen. Klimamodelle zeigen, dass sich dieser Trend hin zu extremeren Trocken- und Feuchtphasen in einer sich erwärmenden Welt weiter erhöht.
Die Untersuchung wurde gefördert durch die DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft, die ESF European Science Foundation und die US National Science Foundation NSF.
Christian Wolff et al.: „Reduced Interannual Rainfall Variability in East Africa During the Last Ice Age“, Science, Vol. 333, No.6043

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Mittwoch, 3. August 2011

Wie die dunkle Seite des Mondes entstand

Eine merkwürdige geologische Eigenschaft des Mondes ist die Gegensätzlichkeit seiner Topographie zwischen der erdzu- und erdabgewandten Seite. Forschende der Universitäten Bern und Kalifornien begründen dies mit einer neuen Theorie auf, wonach die Eigenschaften des Mondes aus einer Kollision mit einem kleineren zweiten Mond entstanden sind. Die Resultate werden heute im Fachjournal «Nature» publiziert.
Die Vorderseite ist eher flach und von dunklen Ebenen vulkanischen Ursprungs dominiert, die Rückseite ist geprägt von hohem Gebirge und tiefen Kratern: So ungleich präsentieren sich die zwei Seiten des Erdmondes. Die Ursache dieser Asymmetrie ist umstritten. Planetologen aus Bern und Kalifornien präsentieren nun eine neue mögliche Erklärung für die dichotome Erscheinung unseres Trabanten: Ein kleinerer zweiter Mond ist rund 100 Millionen Jahre nach der Entstehung des Erde-Mond-Systems mit dem heutigen Erdtrabanten kollidiert und hat sich auf der erdabgewandten Seite des Mondes angelagert. Diese These wird heute im renommierten Wissenschaftsjournal «Nature» publiziert.

Das Gleichgewicht zwischen drei Himmelkörpern

Die Entstehung des Erdmondes gründet auf der folgenden, heute geltenden Theorie: In der Endphase der Planetenentstehung unseres Sonnensystems kollidierte die Ur-Erde mit einem Himmelskörper, der ungefähr die Grösse des Mars hatte. Nach der Kollision bildete sich um die Erde eine sogenannte proto-lunare Scheibe – eine Ansammlung von Trümmern, die um die Erde kreisten. Aus diesen bildete sich durch ein Zusammenklumpen schliesslich der Mond.

Simulationen zeigen, dass sich bei diesem Prozess jedoch nicht nur ein, sondern gleich mehrere Monde bilden können. Allerdings sind solche multiplen Erdmond-Systeme nicht lange stabil: «Typischerweise haben sie eine nur kurze Lebensdauer von weniger als 10’000 Jahren», wie Co-Autor Martin Jutzi vom «Center for Space and Habitability» (CSH) der Universität Bern erklärt. Kürzlich sei aber gezeigt worden, dass ein zweiter Mond auf einer speziellen Bahn – nämlich im Gleichgewichtspunkt des Systems von drei aufeinander wirkenden Körpern – einige 10 bis 100 Millionen Jahre existieren könne, bevor er entweder mit der Erde oder mit dem Mond kollidiert.

Die Kollision hat bis heute sichtbare Auswirkungen

Genau dieses Szenario erachten die Autoren der Studie in unserem Erde-Mond-System «als wahrscheinlich», so Jutzi. Gemäss der neuen Theorie kollidierte der rund 3mal kleinere Mond rund 100 Millionen Jahre nach der Entstehung des Erde-Mond-Systems mit dem bis heute bestehenden Mond. Die Forschenden gehen davon aus, dass sich in diesem langen Zeitraum von der Mond-Entstehung bis zur Kollision der grösste Teil des ursprünglich geschmolzenen Mondes verfestigt hatte. «Eine Kollision mit einem kleinen zweiten Mond hätte deshalb grosse Ausswirkungen auf die Entwicklung und die heutige Form des Mondes gehabt», sagt Martin Jutzi. Diese Hypothese könnte gemäss Jutzi die geologischen Eigenschaften der Mondrückseite mit ihrer dickeren Kruste und dem daraus entstandenen Hochland erklären.

Quellenangabe: Martin Jutzi, Erik Asphaug: Forming the lunar farside highlands by accretion of a companion moon, Nature, doi:10.1038/nature10289

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Montag, 1. August 2011

Nemesis ein Schnippchen schlagen: Verändert sich das Risiko eines Asteroideneinschlags periodisch?

Ist es heute wahrscheinlicher oder weniger wahrscheinlich als vor, sagen wir, 20 Millionen Jahren, dass die Erde von einem Asteroiden oder Kometen getroffen wird? Mehrere Studien haben behauptet, dass die Einschlagwahrscheinlichkeit im Laufe der Jahrmillionen periodisch zu- und abnimmt. Nun hat eine neue Untersuchung von Coryn Bailer-Jones vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) gezeigt, dass es sich bei diesen behaupteten periodischen Veränderungen um statistische Artefakte handelt. Seine Ergebnisse zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit eines größeren Einschlags entweder gleich geblieben ist oder während der letzten 250 Millionen Jahre leicht zugenommen hat.
Gigantische Einschläge von Kometen oder Asteroiden werden mit mehreren Episoden massenhaften Aussterbens in Verbindung gebracht. Das bekannteste Beispiel ist das Aussterben der Dinosaurier vor 65 Millionen Jahren. Fast 200 Krater auf der Erdoberfläche, einige davon Hunderte von Kilometern im Durchmesser, sind uns als Zeugen kosmischer Zusammenstöße erhalten geblieben.

Die Frage danach, ob sich die Einschlagwahrscheinlichkeit auf der Erde mit der Zeit verändert, ist nicht nur von theoretischem Interesse. Diese Information benötigen wir, um die Gefahr abschätzen zu können, die der Erde derzeit von katastrophalen kosmischen Einschlägen droht.

Seit Mitte der 1980er Jahre haben eine Reihe von Autoren behauptet, periodische Variationen der Einschlagwahrscheinlichkeit gefunden zu haben. Aus den Kenndaten der auf der Erdoberfläche bekannten Krater – wichtig sind vor allem die Altersabschätzungen –, leiten sie ein regelmäßiges Muster ab, in dem die Einschlagwahrscheinlichkeit über Millionen Jahre hinweg (die Werte variieren zwischen 13 und 50 Millionen Jahren) periodisch zu- und wieder abnimmt.

Einer der Mechanismen, die für solch periodische Variationen vorgeschlagen wurden, ist die Bewegung unseres Sonnensystems relativ zur Scheibenebene unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Bei dieser Bewegung verändert sich der (sehr geringe) Schwereeinfluss, den die umliegenden Sterne auf die Objekte in der Oort'schen Wolke ausüben, einer gigantischen Ansammlung riesiger Brocken aus Eis und Staub, die das Sonnensystem im Abstand von rund einem Lichtjahr umhüllt. Aufgrund dieser Veränderungen verlassen einmal mehr, dann wieder weniger Objekte die Oort'sche Wolke und machen sich als Kometen auf den Weg in das innere Sonnensystem.

Spektakulärer ist die Annahme, unsere Sonne besäße einen bislang noch nicht direkt nachgewiesenen Begleitstern, der provisorisch auf den Namen "Nemesis" getauft wurde. Nemesis, so die Vermutung, sollte eine lang gestreckte (exzentrischen) Umlaufbahn besitzen, die sie mit der Zeit immer wieder in die Nähe der Oort'schen Wolke führen und dadurch wiederum die Anzahl der Kometen beeinflussen würde, die Kurs auf die Erde nehmen.

Für Coryn Bailer-Jones vom MPIA weisen diese Ergebnisse freilich nicht auf bislang unentdeckte kosmische Phänomene hin, sondern auf subtile Probleme bei der Anwendung herkömmlicher ("frequentistischer") Statistik. Bailer-Jones: "Menschen neigen dazu, auch dort Muster zu sehen, wo gar keine existieren. Und in manchen Situationen kann traditionelle Statistik den Anwender leider in dieselbe falsche Richtung führen."

Bailer-Jones wählte daher eine andere Methode, Wahrscheinlichkeiten zu berechnen, so genannte Bayes'sche Statistik, mit der sich bei der Analyse der Kraterdaten die Probleme der traditionellen Statistik vermeiden lassen. Seine Untersuchung konnte einfache periodische Variationen anhand der verfügbaren Daten mit großer Sicherheit ausschließen.

Stattdessen zeigen die Daten eine allgemeine Tendenz: Von vor rund 250 Millionen Jahren bis zur Jetztzeit hat die Einschlagwahrscheinlichkeit, abgeschätzt anhand der zu verschiedenen Zeiten entstandenen, heute noch nachweisbaren Krater, stetig zugenommen. Dafür gibt es zwei mögliche Erklärungen.

Erstens könnte es sich schlicht um einen Auswahleffekt handeln: Kleinere Krater erodieren schneller und sind nach einer gewissen Zeit nicht mehr auffindbar, und ältere Krater haben generell mehr Zeit zu erodieren und sich wieder mit Material zu füllen als jüngere. Die nachgewiesene Tendenz kann schlicht darauf beruhen, dass wir größere, jüngere Krater einfacher nachweisen können als kleinere, ältere. Bailer-Jones: »Wenn wir nur Krater betrachten, die größer als 35 km und jünger als 400 Millionen Jahre sind und bei denen die Erosion daher eine geringere Rolle spielt, finden wir keine solche Tendenz.«

Andererseits könnte zumindest ein Teil des Anstiegs real sein. Es gibt Untersuchungen an Einschlagkratern auf dem Mond, die einen ähnlichen Trend zeigen. Dort spielen die auf der Erde vorherrschenden Erosionsmechanismen keine Rolle.

Was immer sich als Grund für den in den Daten sichtbaren Trend herausstellen mag – einfache periodische Variationen wie im Nemesis-Modell lassen sich anhand von Bailer-Jones' Analyse ausschließen. "Die Kraterdaten, die wir haben, geben keine Hinweise auf die Existenz von Nemesis. Was bleibt ist die interessante Frage, ob die Einschlagwahrscheinlichkeit über die letzten 250 Millionen Jahre zugenommen hat oder nicht", schließt Bailer-Jones.


Dr. Markus Pössel 
Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Astronomie

 Die hier beschriebene Arbeit wird in Kürze als C. A. L. Bailer-Jones, "Bayesian time series analysis of terrestrial impact cratering«" in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

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Avoiding Nemesis: Does the impact rate for asteroids and comets vary periodically with time?

Is the Earth more likely or less likely to be hit by an asteroid or comet now as compared to, say, 20 million years ago? Several studies have claimed to have found periodic variations, with the probability of giant impacts increasing and decreasing in a regular pattern. Now a new analysis by Coryn Bailer-Jones from the Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), published in the Monthly Notes of the Royal Astronomical Society, shows those simple periodic patterns to be statistical artifacts. His results indicate either that the Earth is as likely to suffer a major impact now as it was in the past, or that there has been a slight increase impact rate events over the past 250 million years.
Giant impacts by comets or asteroids have been linked to several mass extinction events on Earth, most famously to the demise of the dinosaurs 65 million years ago. Nearly 200 identifiable craters on the Earth's surface, some of them hundreds of kilometers in diameter, bear witness to these catastrophic collisions.

Understanding the way impact rates might have varied over time is not just an academic question. It is an important ingredient when scientists estimate the risk Earth currently faces from catastrophic cosmic impacts.

Since the mid-1980s, a number of authors have claimed to have identified periodic variations in the impact rate. Using crater data, notably the age estimates for the different craters, they derive a regular pattern where, every so-and-so-many million years (values vary between 13 and 50 million years), an era with fewer impacts is followed by an era with increased impact activity, and so on.

One proposed mechanism for these variations is the periodic motion of our Solar System relative to the main plane of the Milky Way Galaxy. This could lead to differences in the way that the minute gravitational influence of nearby stars tugs on the objects in the Oort cloud, a giant repository of comets that forms a shell around the outer Solar System, nearly a light-year away from the Sun, leading to episodes in which more comets than usual leave the Oort cloud to make their way into the inner Solar System – and, potentially, towards a collision with the Earth. A more spectacular proposal posits the existence of an as-yet undetected companion star to the Sun, dubbed “Nemesis”. Its highly elongated orbit, the reasoning goes, would periodically bring Nemesis closer to the Oort cloud, again triggering an increase in the number of comets setting course for Earth.

For MPIA's Coryn-Bailer-Jones, these results are evidence not of undiscovered cosmic phenomena, but of subtle pitfalls of traditional (“frequentist”) statistical reasoning. Bailer-Jones: “There is a tendency for people to find patterns in nature that do not exist. Unfortunately, in certain situations traditional statistics plays to that particular weakness.”

That is why, for his analysis, Bailer-Jones chose an alternative way of evaluating probabilities (“Bayesian statistics”), which avoids many of the pitfalls that hamper the traditional analysis of impact crater data. He found that simple periodic variations can be confidently ruled out. Instead, there is a general trend: From about 250 million years ago to the present, the impact rate, as judged by the number of craters of different ages, increases steadily.

There are two possible explanations for this trend. Smaller craters erode more easily, and older craters have had more time to erode away. The trend could simply reflect the fact that larger, younger craters are easier for us to find than smaller, older ones. “If we look only at craters larger than 35 km and younger than 400 million years, which are less affected by erosion and infilling, we find no such trend,” Bailer-Jones explains.

On the other hand, at least part of the increasing impact rate could be real. In fact, there are analyses of impact craters on the Moon, where there are no natural geological processes leading to infilling and erosion of craters, that point towards just such a trend.

Whatever the reason for the trend, simple periodic variations such as those caused by Nemesis are laid to rest by Bailer-Jones' results. “From the crater record there is no evidence for Nemesis. What remains is the intriguing question of whether or not impacts have become ever more frequent over the past 250 million years,” he concludes.

The work described here is set to be published as C. A. L. Bailer-Jones, “Bayesian time series analysis of terrestrial impact cratering”, in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Dr. Markus Pössel
 
Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Astronomiehttp://idw-online.de/en/institution1413

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The Excluded Middle [Milky Way Musings, Episode 1]

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