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Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften
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Geologie der terrestrischen
Planeten und Monde
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HANS VOLKER KLAPDOR
Der Beta-Zerfall der Atomkerne
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Westdeutscher Verlag
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340. Sitzung am 1. April 1987 in Düsseldorf
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Stöffler, Dieter:
Geologie der terrestrischen Planeten und Monde/ Dieter Stöffler. Der Beta-Zerfall
der Atomkerne und das Alter des Universums/ Hans Volker Klapdor. - Opladen:
Westdt. Ver!., 1989
(Vorträge / Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften: Natur-,
Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften; N 365)
ISBN 3-531-08365-1
NE: Klapdor, Hans V.: Der Beta-Zerfall der Atomkerne und das Alter des Universums; Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften (Düsseldorf): Vorträge I Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften
Der Westdeutsche Verlag ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann.
© 1989 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
Herstellung: Westdeutscher Verlag
Satz, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Boss-Druck, Kleve
Printed in Germany
ISSN 0066-5754
ISBN 3-531-08365-1
Inhalt
Dieter Stöfjler, Münster
Geologie der terrestrischen Planeten und Monde
1.
2.
3.
4.
5.
Inhalt und Aufgabe der Planetologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Methoden der Exploration und Analyse der Planeten und Monde . . . .
Geologische Grundprozesse auf den terrestrischen Planeten und Monden
Geologische Formationen der planetaren Oberflächen . . . . . . . . . . . . . .
a) Impaktformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
b) Vulkanische Formationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
c) Tektonische Erscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
d) Fluviatile, glaziale und äolische Formationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Gesteine und Mineralien der planetaren Krusten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Der innere Aufbau der terrestrischen planetaren Körper . . . . . . . . . . . .
8. Vergleichende geologische Entwicklungsgeschichte der terrestrischen
Planeten und des Mondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9. Ursprung und Entstehung der terrestrischen planetaren Körper . . . . . .
a) Solarnebel und Kondensation .................................
b) Akkretion und Kollisionsgeschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Diskussionsbeiträge
Professor Dr.-Ing. Rolf Staufenbiel; Professor Dr. rer. nat. Dieter Stöjjler;
Professor Dr. phil. nat. habil. Hermann Flohn; Professor Dr. rer. nat.
Eckart Kneller; Professor Dr. med. Ekkehard Grundmann; Professor Dr.
rer. nat. Tasso Springer; Professor Dr. rer. nat., Dr. rer. nat. h. c. Ewald
Wicke; Professor Dr.-lng. Friedrich Eichhorn; Professor Dr. rer. nat.
Werner Schreyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
35
36
39
Hans Volker Klapdor, Heidelberg
Der Beta-Zerfall der Atomkerne und das Alter des Universums
Vorwort
........................................................
73
6
Inhalt
1. Einleitung: Schwache Wechselwirkung und Entwicklung des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2. Ein Durchbruch im Verständnis des ß-Zerfalls neutronenreicher Kerne
80
3. Elementsynthese und das Alter des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
3.1 Wo werden die schweren Elemente im Universum gebildet? . . . . 88
3.2 Produktionsraten der Kosmochronometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3 Neue Produktionsraten korrigieren das Alter des Universums . . . 102
3.4 Vergleich mit anderen Altersbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4. Kosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1 Kosmologische Konstante A und Alter des Universums . . . . . . . . 108
4.2 Die Dichte nicht-baryonischer dunkler Materie und die Neutrinomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Geologie der terrestrischen Planeten und Monde
von Dieter Stöjjler, Münster
1. Inhalt und Aufgabe der Planetologie
Die Erforschung der Eigenschaften, der zeitlichen Entwicklung und der Entstehung der Planeten und ihrer Satelliten als geologische Körper ist nicht älter als zwanzig Jahre. Geowissenschaftlich orientierte Planetenforschung - in ihrem Ursprung
und ihrer Entwicklung unabdingbar an die Weltraumfahrt gebunden - steht in einer
sehr engen Wechselbeziehung zur Raumfahrttechnik und ist in ihrem wissenschaftlichen Inhalt in hohem Maße interdisziplinär. Die „Geologie der Planeten und
Monde" 1 beinhaltet jedoch nicht einfach eine Übertragung oder Ausdehnung der
herkömmlichen Geowissenschaften auf das gesamte Sonnensystem. Vielmehr ist die
„Planetologie", wie dieses Fachgebiet am besten bezeichnet wird, eine eigenständige
Wissenschaft, die in ihren Methoden, Inhalten und Zielen sehr deutlich von den
traditionellen Geowissenschaften unterschieden ist. In der Planetologie kreuzen
sich eine Vielzahl naturwissenschaftlicher Disziplinen, wie z.B. Astronomie, Astrophysik, Aeronomie, Plasmaphysik, Kernphysik, Kosmochemie und nicht zuletzt
natürlich die Geowissenschaften mit den Fächern Mineralogie, Geologie und Geophysik. Dabei erscheint die Erkenntnis bedeutsam, daß die Planetologie die traditionellen Geowissenschaften bereits heute sehr stark befruchtet und in Zukunft
immer stärker befruchten wird. Die Planetologie hat beispielsweise erst ermöglicht,
daß intelligente Fragen hinsichtlich globaler Aspekte der Entstehung der Erde und
ihrer frühen Entwicklung heute gestellt werden können.
Ein besonders auffallendes Element der Planetologie ist die Sprunghaftigkeit im
Erkenntniszuwachs. Eine einzige Raumsonde, etwa die Voyager-Sonde, mit der
das Satellitensystem des Jupiter erkundet wurde, hat dem Planetologen innerhalb
weniger Stunden, Tage oder Wochen Einblick in eine völlig neue Welt verschafft,
die vorher nahezu unbekannt war. Die Informationen über eine solche „neue
Welt" erreichen uns nicht allmählich und in kleinen Portionen, wie dies bei der
Erforschung der Erde über einen sehr langen Zeitraum hinweg sich vollzog, son1
Es ist heute international üblich, den Begriff „Geologie" als eine allgemeine wissenschaftliche Disziplin zu verstehen, die sich nicht mehr ausschließlich dem Wortsinn entsprechend mit der Erde
beschäftigt, sondern mit allen festen Körpern des Sonnensystems, insbesondere mit den erdähnlichen,
den sog. terrestrischen Planeten und Monden.
Der Beta-Zerfall der Atomkerne und
das Alter des Universums
von Hans Volker Klapdor, Heidelberg
Vorwort
Der hier vorliegende Text stellt eine etwas erweiterte Fassung des gehaltenen
Vortrages dar. Die Erweiterungen sind erforderlich, um aus zeitlichen und didaktischen Gründen im mündlichen Vortrag abgekürzte Argumentationen einwandfrei darzustellen.
Ganz herzlich möchte ich mich für die Einladung zu diesem Vortrag und deren
Initiierung durch Herrn Prof. W. Priester bedanken, dem ich wesentliche Impulse
während unserer Anwendung kernphysikalischer Ergebnisse auf astrophysikalische und kosmologische Fragestellungen verdanke.
1. Einleitung:
Schwache Wechselwirkung und Entwicklung des Universums
Die Erkenntnis der engen Verbindung zwischen den Gesetzen der Mikrophysik, der Astrophysik und der Kosmologie ·stellt eine der wichtigsten Entdeckungen unseres Jahrhunderts dar. Sie hat diese Disziplinen in ungeahnter
Weise einander nahe gerückt und neue Perspektiven zu ihrer Entwicklung eröffnet. Abb. 1 - von SttELDON GLASHOW stammend und Symbol eines kürzlich
diesen Zusammenhängen gewidmeten Internationalen Symposiums (KLAPDOR
1986) - mag die engen Verknüpfungen zwischen der Struktur der Großen Vereinigungstheorien (= GUTs, Grand-Unified Theories) und der Kosmologie, sowie
zwischen Kern-, Teilchen- und Astrophysik verdeutlichen.
Warum sind insbesondere die mit der schwachen bzw. elektroschwachen W echselwirkung verbundenen Naturphänomene von so grundlegender Bedeutung für
die Entwicklung des Kosmos? Einige Beispiele sind:
- Ohne schwache Wechselwirkung gäbe es keine schweren Elemente im Universum.
- Neutrinos sind die besten Kandidaten für die dunkle Materie im Universum.
Sie könnten daher durch ihre Masse entscheiden, ob das Universum offen oder
geschlossen ist, d. h., ob es bis in alle Ewigkeit expandieren oder nach endlicher
Zeit kollabieren wird zu eventuellem neuen Urknall.