Entstehung und Entwicklung des Magmaozeans und Differentiation von Kern und Mantel während der Akkretion der Erde

• Antragsteller: Professor Dr. David Rubie
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 275826910

In der Frühgeschichte des Sonnensystems haben sich Kern und Mantel der Erde während eines mehrstufigen Differentiationsprozesses gebildet. Zahlreiche Kollisionen von Kleinplaneten mit der wachsenden Erde führten immer wieder zu Schmelzprozessen und zur Entstehung eines oder mehrerer Magmaozeane. Dabei sank das metallische Eisen des Impaktors auf den Boden des Magmaozeans und trug so zur Kernbildung der Erde bei. Diese Prozesse wiederholten sich viele Male im Laufe der Akkretion der Erde.Viele Einzelheiten dieses qualitativen Bildes sind noch völlig ungeklärt. So z.B. die Frage, ob es, wie oft angenommen wird, während der gesamten Akkretionsgeschichte nur einen einzigen, sehr tiefen und langlebigen Magmaozean gab und wie sich dann die Tiefe dieses Magmaozeans mit der Zeit entwickelt hat? Oder gab es viele, kleinere, kurzlebigere Magmaozeane, die zwischen großen Einschlägen immer wieder erstarrten? Diese Frage hängt u.a. von der Abkühlungsgeschichte eines Magmaozeans ab. Hier spielt die mögliche isolierende Wirkung der Atmosphäre eine zentrale Rolle. Eine solche isolierende Atmosphäre wurde beispielsweise für die Erde als Folge des Rieseneinschlags, der zur Bildung des Mondes führte, gefordert. Andererseits wird in der Literatur die Möglichkeit diskutiert, dass Einschläge großer Planetesimale zum Verlust der Atmosphäre führen. In dem hier geplanten Projekt soll der Einfluss einer isolierenden Atmosphäre auf die Entwicklung eines Magmaozeans untersucht werden. Die vor kurzem veröffentlichten Simulationen der Kernbildung während der Akkretionsphase der Erde basieren auf stark vereinfachten Annahmen über die Größe des Magmaozeans. In dem hier geplanten Projekt sollen numerische Simulationen von jedem Einschlag die Schmelzproduktion als Funktion der kinetischen Energie des Impaktors und des Einschlagwinkels berücksichtigen. Die Tiefe des Magmaozeans in der Erde ist von grundlegender Bedeutung, da sie die Druck- und Temperaturbedingungen festlegt, unter denen die Equilibrierung von Silikatschmelze mit absinkendem flüssigen Metall stattfindet und somit ein wichtiger Parameter für die chemische Zusammensetzung von Erdkern und Erdmantel. Neben der Größe und Ausdehnung des Magmaozeans soll auch die Abkühlungs- und Kristallisationsgeschichte des Magmaozeans in Abhängigkeit vom Grad der Isolation durch eine Atmosphäre berechnet werden. Die Kombination von Akkretion und Differentiation in einem einzigen Modell sollte Aussagen über die chemische Zusammensetzung und den heliozentrischen Abstand der Bausteine der Erde in der protoplanetaren Scheibe zulassen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1833: Building a Habitable Earth
• Internationaler Bezug: Frankreich, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Daniel J. Frost; Professor Dr. Gregor Johann Golabek; Seth Jacobson, Ph.D.; Professor Dr. Hans Keppler; Professor Dr. Jay Melosh (†); Alessandro Morbidelli, Ph.D.