Eine Geschichte der Theorie der Plattentektonik (Teil 4/7)

1906 z.B. hatte Otto Ampferer einen nicht kleinen Teil seines Werks „Über das Bewegungsbild von Faltenge­birgen“ darauf verwandt, sie zurückzuweisen.

Teil 4: In eurem Bunde der Dritte

Es waren er und andere Autoren, von denen Wegener seine Argumente bezog. Die Entdeckung des Tauchgleichgewichts der Kontinente, der schwereren Zusammensetzung der Ozeanböden und weitere geophysikalische Überlegungen standen den Aus­sagen der Kontraktionstheorie entgegen.

Als Wegener mit seiner These an die Öffentlichkeit trat, gab es bereits eine andere Gegenposition, die Permanenztheorie, die hauptsächlich auf den US-amerikanischen Geologen James Dwight Dana (1813-1895) zurückging und besonders im amerikanischen Raum vertreten wurde. Sie besagte, dass in der Tat keine Kontinente im Ozean versunken waren: Alle Kontinente und Ozeane waren immer, was sie heute sind, und lagen immer an derselben Stelle. Diese Theorie blieb aber eine Erklärung dafür schuldig, warum auf verschiedenen Kontinenten Fossilien derselben nicht-marinen Arten ge­funden werden. Sie wurde daher sowohl von Wegener als auch den Anhängern der Kontraktions­theorie mit Recht abgelehnt.

Wegeners Hypothese fanden die meisten Forscher ebenso lachhaft. Doch die Fakten, die ge­gen die Kontraktionstheorie sprachen, bestanden unabhängig davon. Sie verschwanden nicht, nur weil man Wegeners alternative Erklärung nicht akzeptierte. Wer Anhänger der alten Theorie bleiben wollte, musste ihre Widersprüche kleinreden, hinnehmen oder ignorieren. In einem Wissenschaftler sollte das Unbehagen hervorrufen (idealerweise), und es trieb Wegener dennoch eine steigende Zahl von Anhängern zu, auch wenn sein Modell nicht so ganz befriedigen konnte. Sein Lager war aber nicht das einzige, das Abtrünnigen zur Verfügung stand. Es gab ein weiteres Modell, das einen ele­ganten Kompromiss zwischen Fixismus und Mobilismus anbot: Die Erdexpansionstheorie.

Ein Italiener

Die Anfänge dieser Theorie lassen sich zu dem Geologen Roberto Mantovani (1854- 1933) zurückverfolgen. In zwei Arbeiten aus den Jahren 1889 und 1909 hatte er darauf aufmerksam gemacht, dass sich die „Puzzlestücke“ der Kontinente zusammenfügen ließen, wenn man von einer ursprünglich viel kleineren Erde ausging. Die Kontinente hätten damals die gesamte Oberfläche der Erde bedeckt, und erst bei der Erdausdehnung bildeten sich zwischen ihnen die Ozeanbecken. Der Gedanke hat etwas bestechend Einfaches. Im Rahmen der Expansionstheorie kann außerdem eine frühere Verbindung zwischen den Kontinenten angenommen werden, ohne gleichzeitig die Drift­these akzeptieren zu müssen.

Mantovani rekonstruierte eine ähnliche ursprüngliche Konfiguration der Kontinente, wie es später Wegener für den ehemaligen Superkontinent Pangaea tat. Wegener erwähnt Mantovani in der vierten Auflage der „Entstehung der Kontinente“ und spricht von Gemeinsamkeiten zu seinen Über­legungen, verschweigt aber die abweichende Grundannahme – vermutlich, weil er seinen Gegnern keine Steilvorlage liefern wollte.

Ein Deutscher

Mantovani formulierte sie zuerst, größere Bekanntheit erlangte die Theorie aber zum ersten Mal ab dem Jahr 1933 durch den Physiker Ott Christoph Hilgenberg (1896-1976) und sein Buch „Vom wachsenden Erdball“. Hilgenberg scheint seine Idee unabhängig von Mantovani entwickelt zu haben, zitiert aber einen anderen Vordenker, den Deutschen B. Lindemann (voller Name und Le­bensdaten nicht gefunden), und spricht von Wegener als einer entscheidenden Inspirationsquelle.

Einige Jahre zuvor hatte Hilgenberg eine These zum Ursprung der Gravitation aufgestellt: Massereiche Körper, wie z.B. Planeten, ziehen einen allgegenwärtigen, das ganze Universum aus­füllenden Stoff an und absorbieren ihn, wobei sie an Masse gewinnen. Das Fließen des Stoffes zu dem Körper hin wird als Gravitation spürbar.

Eine ähnliche Vorstellung hatte schon der russische Physiker Iwan Ossipowitsch Yarkovsky (1844-1902) im Jahr 1888 vertreten: Er glaubte, der Äther – das damals noch postulierte Ausbrei­tungsmedium für Licht, dessen Existenz heute als widerlegt gilt – werde absorbiert. Hilgenberg gab seinem hypothetischen Stoff ebenfalls den Namen Äther, obgleich er wahrscheinlich nicht dasselbe damit meinte wie das historisch so bezeichnete Konzept, welches 1933 bereits als überholt galt.

Wenn alle Körper im Universum kontinuierlich an Masse gewinnen, so Hilgenberg, folgt da­raus, dass sich die Erde mit der Zeit ausgedehnt haben muss. Der weitere Gedankengang entspricht dem Mantovanis.

Modellgloben Hilgenbergs zur Erdexpansion. Quelle: Scalera & Jacob (2003)

Ein Ungar

Im Jahr 1935 schlug der südafrikanische Astronom Jacob K. E. Halm (1866-1944) Erdexpansion als Erklärung vor, warum das Leben sich in seiner Frühzeit ausschließlich marin entwickelt hatte: Mög­licherweise hatte es damals kein Land gegeben, weil die Erdoberfläche kleiner war und die Ozeane alles bedeckten. Einer ähnlichen Argumentation folgte 1956 der ungarische Geophysiker László Egyed (1914-1970): Er verwies auf Untersuchungen, wonach die von Ozeanen bedeckte Fläche der Kontinente über die letzten 500 Millionen Jahre hinweg beständig abgenommen hat (auch heute nehmen vom Meer überflutete Kontinentalgebiete – Binnenmeere, Randmeere, Schelfe – gut zehn Prozent der Erdoberfläche ein). Egyed betrachtete das als Beweis, dass die Erde sich ausgedehnt und die dabei entstehenden Ozeanbecken das Wasser aufgenommen hatten.

Laut Egyed erklärte sich so auch die unterschiedliche Zusammensetzung von Kontinenten und Ozeanböden: Die Kontinente sind die urtümliche Kruste, die sich bei Entstehung der Erde bil­dete, Ozeanböden dagegen kamen (und kommen) dadurch zustande, dass jene Ur-Kruste durch die Expansion zerrissen und der Zwischenraum mit schwererem Magma aus darunterliegenden Schich­ten aufgefüllt wurde (wird). Egyed berechnete ein jährliches Wachstum des Erdradius von durch­schnittlich 0.5 mm, während Hilgenberg im Jahr 1965 auf 4 mm kam.

Abnahme der von Ozeanen bedeckten Kontinentalfläche im Laufe der Erdgeschichte, relativ zu heute, von Egyed aus paläogeographischen Daten abgeleitet. Es besteht in vielen Zügen Übereinstimmung mit heutigen Rekonstruktionen der erdgeschichtlichen Meeresspiegelschwankungen. Quelle: Egyed (1956)

Egyed hatte recht, dass der Meeresspiegel über weite Strecken der Erdgeschichte wesentlich höher lag als heute. Aber Erstens waren seine Daten unzuverlässig: Es handelt sich mitnichten um eine kontinuierliche Abnahme, wie er aus ihnen zu sehen glaubte. Der Meeresspiegel war während Perm und Trias schon einmal auf einem ähnlich niedrigen Niveau wie heute.

Zweitens vernachlässigte er andere denkbare Erklärungen, wie Vereisung oder Unterschiede in der globalen Durchschnittstemperatur (die zu einer Volumenänderung der Ozeane führen würde). Zwar sind diese, nach heutiger Kenntnis, nicht die Ursache der langfristigen Hoch- und Tiefstände über Zeitabschnitte von hunderten Millionen Jahren, die sich in der Erdgeschichte finden – Tempe­raturänderung allein erklärt Schwankungen von höchstens einigen Metern, und Vereisung existiert für maximal einige zehn Millionen Jahre. Beides überlagert vielmehr den langfristigen Trend. Aber Egyed diskutiert die Möglichkeit nicht einmal.

Drittens, und das konnte Egyed nicht wissen: Der langfristige Meeresspiegelstand über Zeit­räume von 100er Millionen Jahren hängt von der plattentektonischen Aktivität ab. Bildet sich etwa beim Zerfall eines Kontinents ein neues Ozeanbecken, muss durch seine Ausdehnung ein anderes, älteres Becken irgendwo auf der Welt kleiner werden. Lithosphäre jedoch kühlt mit zunehmenden Alter ab, wird dichter, was gemäß der Isostasie zu einem tieferen Ozean führt. Die Lithosphäre des jungen Ozeanbeckens dagegen ist heiss und weniger dicht, weswegen der neue Ozean flacher sein wird als der ältere, den er verdrängt. Und irgendwo muss das Wasser bleiben.

Phasen intensiver plattentektonischer Aktivität führen so zu einem hohen Meeresspiegel und Phasen geringer Aktivität zu einem niedrigen. Eine Phase intensiver Aktivität gab es etwa beim Zer­fall Pangaeas während Jura und Kreidezeit, Phasen geringer Aktivität heute und während Perm und Trias.

Eine moderne Rekonstruktion von Meeresspiegelschwankungen in der Erdgeschichte. Kurzfristige Ausschläge korres­pondieren mit Warm- und Kaltzeiten, langfristige Trends mit der plattentektonischen Aktivität. Dünne unregelmäßige Linie: Meerespiegel relativ zu heute, links zur Mittellinie höher, rechts niedriger. Schwarze Balken: Glaziale Ereignisse. Dicke Linie: Volumen mittelozeanischer Rücken, nach links höher, nach rechts niedriger. Zeitskala in Millionen Jahren. Quelle: Shanmugam et al. (1985), nach Meeresspiegelkurve von Vail et al. (1977)

Ein Australier

Im englischen Sprachraum wurde der Geologe Samuel Warren Carey (1911-2002) zum prominentesten Fürsprecher der Expansionstheorie. Ebenfalls im Jahr 1956 hatte er ein Symposium zur Kontinentalverschiebung organisiert und dabei seine eigene Expansionshypothese vorgestellt. Die Veröffentlichung erfolgte zwei Jahre später.

Carey war auf den Einfall gekommen, als er eine Rekonstruktion Pangaeas versuchte: Fügte er die Kontinente so zusammen, wie es ihm laut der geologischen Übereinstimmungen notwendig schien, entstanden anderswo Lücken zwischen Gebieten, die seinen Kriterien nach ebenso zusam­mengehören mussten. Die Lücken verschwanden aber, wenn er die Rekonstruktion auf einem klei­neren Globus durchführte.

Carey nennt in seiner Arbeit eine Reihe weiterer Argumente, darunter auch die abnehmende Wasserbedeckung der Kontinente. Gebirge schienen für ihn hauptsächlich durch unregelmäßiges Wachstum der Erde zu entstehen – womit er den Mechanismus, über den die Kontraktionstheorie Gebirgsbildung erklärte, auf den Kopf stellte.

Anders als Hilgenberg glaubte Carey nicht, dass die Erde ihre Masse vermehrt, sondern dass sie früher dichter gewesen sei (thermische Ausdehnung, wie sie Mantovani und Lindemann annah­men, verwarf er als zu schwach). In ihrer Frühzeit habe die Erde nur den halben Durchmesser und ein Viertel der Oberfläche von heute besessen. Damals betrug ihre Dichte das Achtfache und die Gravitation an der Oberfläche das Vierfache von heute. Danach habe sie sich mit zunehmendem Tempo ausgedehnt. Als Pangaea zerbrach, war sie noch doppelt so dicht wie heute und besaß drei Viertel ihres jetztigen Durchmessers.

Carey spekulierte, dass die Erde früher aus einem superdichten Material bestanden haben könnte und in ihren tiefen Schichten noch immer besteht, ähnlich wie ein Neutronenstern. Das Ma­terial bleibe nur bei hohem Druck bzw. tiefer Temperatur stabil. Einst habe die Erde vollständig aus diesem Material bestanden, weil sie in ihrer Frühzeit kalt war. Als sie sich aufgrund radioaktiven Zerfalls aufheizte, wurde das dichte Material zunächst an ihrer Oberfläche, dann in immer tieferen Schichten instabil und wandelte sich in eine Form mit erheblich größerem Volumen um.

Letztlich, erklärte Carey aber, sei es nicht erforderlich für ihn, die Ausdehnung zu erklären: Die Expansion der Erde sei eine empirische Schlussfolgerung, den Mechanismus dafür müssten nun andere finden. Das entsprach ziemlich genau der Einstellung Wegeners, auch wenn heute klar ist, dass Wegener sich ein ganzes Ende näher an der Wahrheit befand. Doch damals wurden beide, Ver­schiebungs- und Expansionshypothese, nebeneinander und sehr ernsthaft diskutiert.

Noch wieder ein anderes Expansionsmodell geht auf den Physiker Paul Dirac (1902-1984) zurück. Er hatte im Jahr 1938 die Vermutung geäußert, dass die Gravitationskonstante mit der Zeit schwä­cher werden könnte, wodurch alle Körper im Universum Ausdehnung erfahren. Größter Verfechter einer durch diesen Prozess verursachten Kontinentaldrift war der deutsche Physiker Pascual Jordan (1902-1980) ab dem Jahr 1966.

Hilgenberg, Carey und Jordan blieben ihr Leben lang von der Erdexpansion überzeugt, auch nach­dem die Theorie der Plattentektonik allgemein anerkannt war (Egyed hielt ebenso an seiner These fest, starb aber 1970, als noch mancherorts Zweifel bestanden). Im Gegensatz zur Kontraktions- hat die Erdexpansionstheorie bis heute eine gewisse Anhängerschaft.

Empirisch steht sie allerdings auf wackligen Füßen, um es vorsichtig zu sagen. Einer Studie (Williams 2000) zufolge, die anhand von Meeressedimenten den Gezeitenhub im Erdaltertum re­konstruiert, hat sich das Trägheitsmoment der Erde seit ca. 620 Millionen Jahren nicht signifikant verändert, was gegen eine Vergrößerung des Radius bei gleicher Schwerkraftkonstante spricht. Ein Nachlassen der Schwerkraft dagegen wird in aktuellen Messungen nicht festgestellt. Zuguterletzt ist bei Satellitenmessungen keine Ausdehnung innerhalb einer Genauigkeitsgrenze von 0.2 mm im Jahr festzustellen (Wu et al. 2011). Damit sind alle hier vorgestellten Varianten der Theorie abgedeckt – und der konstant bleibende Erdradius stellt gleichzeitig noch einen schweren zusätzlichen Einwand gegen die Kontraktionstheorie dar.

Dieser schwachen Basis der Erdexpansionstheorie stehen auf der anderen Seite massenhaft Beweise für die Theorie der Plattentektonik gegenüber.

(Fortgesetzt in Teil 5: Die Hinweise mehren sich)

Literatur:

Ampferer, O. (1906): Über das Bewegungsbild von Faltengebirgen. In: Jahrbuch Geol. R-A., 56. Verlag der k. k. geol. Landesanstalt, Wien. 539‑622.

Carey, S. W. (1958): A tectonic approach to continental drift. In: Continental Drift. A Symposium. Geology Department, University of Tasmania, Hobart. 375 Seiten. 177‑356.

Carey, S. W. (1989): Theories of the Earth and Universe. A History of Dogma in the Earth Sciences. Stanford University Press. Stanford, California. 419 Seiten. ISBN 0804713642.

Egyed, L. (1956): Determination of changes in the dimensions of the earth by paleogeographical data. Na­ture, Vol. 178, p. 534 (sic).

Egyed, L. (1956): The change of the earth's dimensions determined from paleogeographical data. Pure and applied geophysics, Vol. 33, 42‑48.

Hilgenberg, O.C. (1974): Geotektonik, neuartig gesehen. Geotektonische Forschungen, 45, 1‑194.

Kominz, M. (2001): Sea Level Variations Over Geologic Time. In: Encyclopedia of Ocean Sciences, Else­vier, p. 2605-2613. ISBN 9780122274305

Max‑Planck‑Institut für Wissenschaftsgeschichte (2007): Pascual Jordan (1902‑1980). Mainzer Symposium zum 100 Geburtstag. Preprint 329. 208 Seiten.

Pilling, A. (1944): Dr. J. K. E. Halm. Monthly Notes of the Astron. Soc. of South Africa, Vol. 3, p. 95.

Scalera, G. and Jacob, K.‑H. (eds.) (2003): Why expanding Earth? – A book in honour of O.C. Hilgenberg. INGV, Rom. 25‑41, 71‑74.

Shanmugam, G. & Moiola R. J. & Damuth, J. E. (1985): Eustatic control of submarine fan development. In: Bouma, A. H. & Normark, W. R. & Barnes, N. E. (eds.), Submarine Fans and Related Turbidite Systems, Springer-Verlag, New York, p. 23-28.

Sullivan, W. (1974): Continents in Motion. McGraw-Hill, New York. 399 Seiten.

Wegener, A. (1912): Die Entstehung der Kontinente. Geol. Rundschau, Nr. 3, 276‑292.

Wegener, A. (1915/1929): Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. Nachdruck der 1. und 4. Auflage, Ge­brüder Bornträger Verlagsbuchhandlung, Berlin/Stuttgart 2005. 481 Seiten.

Williams, G. E. (2000): Geological Constraints On The Precambrian: History Of Earth's Rotation And The Moon's Orbit. Reviews of Geophysic's, 38, 1, 37‑59.

Wu, X. & Collilieux, X. & Altamimi, Z. & Vermeersen, B. L. A. & Gross, R. S. & Fukumori, I. (2011): Ac­curacy of the International Terrestrial Reference Frame origin and Earth expansion. Geophysical Research Letters, 38, 5 pp.

Erwähnte, nicht direkt zitierte Literatur:

Dirac, P. A. M. (1938): A new basis for cosmology. Proc. Roy. Soc. Lond. Series A, Vol. 165, 199‑208.

Halm, J. K. E. (1935): An astronomical aspect of the evolution of the earth. Astron. Soc. S. Afr., Vol. 4, No. 1, 1‑28.

Hilgenberg, O. C. (1929): Das Rätsel Gravitation gelöst. Publiziert im Eigenverlag, Kassel. 14 Seiten.

Hilgenberg, O. C. (1931): Über Gravitation, Tromben und Wellen in bewegten Medien. Publiziert im Eigen­verlag, Kassel. 78 Seiten.

Hilgenberg, O. C. (1933): Vom wachsenden Erdball. Giessmann & Bartsch, Berlin. 56 Seiten.

Lindemann, B. (1927): Kettengebirge, Kontinentale Zerspaltung und Erdexpansion. Fischer Verlag, Jena. 186 Seiten.

Mantovani, R. (1889): Les fractures de l‘écorce terrestre et la théorie de Laplace. Bull. Soc. Science et Arts Réunion. 41‑53.

Mantovani, R. (1909): L‘Antarctide. Je m‘instruis. La science pour tous, no. 38, 595‑597.

Pascual, J. (1966): Die Expansion der Erde. Folgerungen aus der Diracschen Gravitationshypothese. Fried­rich Vieweg & Söhne, Braunschweig. 180 Seiten.

Yarkovsky, I. O. (1888): Hypothese cinetique de la Gravitation universelle et connexion avec la formation des elements chimiques. Publiziert im Eigenverlag, Moskau.

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