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Neue Erkenntnisse über die Uratmosphäre der Erde

Ein internationales Wissenschaftlerteam, unter der Leitung der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS, haben neue Erkenntnisse über die Erdatmosphäre vor 4.5 Milliarden Jahren gewonnen. Ihre Ergebnisse haben Auswirkungen auf mögliche Ursprünge des Lebens auf der Erde.

Eine künstlerische Darstellung der Erde heute und vor 4.5 Milliarden Jahren. Bild: Tobias Stierli

Vor viereinhalb Milliarden Jahren wäre die Erde kaum wiederzuerkennen gewesen. Anstelle von Wäldern, Bergen und Ozeanen war die Oberfläche unseres Planeten vollständig von Magma bedeckt – dem geschmolzenen Gesteinsmaterial, das beim Ausbruch von Vulkanen an die Oberfläche kommt. In diesem Punkt ist sich die wissenschaftliche Gemeinschaft einig. Weniger klar ist, wie die Atmosphäre zu jener Zeit aussah. Neue Untersuchungen unter der Leitung von Paolo Sossi, Forscher an der ETH Zürich und dem NFS PlanetS, bringen nun einige der Geheimnisse der Uratmosphäre ans Licht. Die Ergebnisse wurden heute in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Experimente mit Magma aus dem Labor
“Vor 4.5 Milliarden Jahren tauschte das Magma ständig Gase mit der darüber liegenden Atmosphäre aus”, beginnt Paolo Sossi zu erklären; “die Luft und das Magma beeinflussten sich gegenseitig. Untersucht man das eine, lernt man auch über das andere”.

Um etwas über die Uratmosphäre der Erde zu erfahren, die sich stark von der heutigen unterscheidete, stellten die Forscher deshalb im Labor ihr eigenes Magma her. Dazu mischten sie ein Pulver, das der Zusammensetzung des geschmolzenen Erdmantels entsprach, und erhitzten es. Was einfach klingt, erforderte die neuesten technologischen Fortschritte, wie Sossi betont: “Die Zusammensetzung unseres mantelähnlichen Pulvers erschwerte das Schmelzen – wir benötigten sehr hohe Temperaturen von etwa 2000 °C”.

Der Laser-beheizte aerodynamische Schwebeofen mit dem Sossi et al. Ihre Experimente durchführten. Bild: IPGP.

Dazu war ein spezieller Ofen nötig, der mit einem Laser erhitzt wird. In diesem konnten die Forscher das Magma ausserdem schweben lassen, indem sie Gasgemische darum herum strömen liessen. Diese Gasgemische waren verschiedene, plausible Kandidaten für die Uratmosphäre. Wie diese vor 4.5 Milliarden Jahren, beeinflussten die Gasgemische auch das Magma im Labor. Mit jeder Gasgemischprobe fiel das Magma also etwas anders aus.

“Der Hauptunterschied, nach dem wir suchten, war, wie das Eisen im Magma oxidiert wurde”, erklärt Sossi. Mit anderen Worten: wie rostig. Wenn Eisen auf Sauerstoff trifft, oxidiert es und verwandelt sich in das, was wir gemeinhin als Rost bezeichnen. Wenn also das Gasgemisch, das die Wissenschaftler über ihr Magma bliesen, viel Sauerstoff enthielt, wurde das Eisen im Magma stärker oxidiert.

Diesen Grad der Eisenoxidation im abgekühlten Magma konnten Sossi und seine Kollegen mit natürlich vorkommenden Gesteinen die heute den Erdmantel bilden, so genannten Peridotiten, vergleichen. Diese tragen noch den Einfluss der Uratmosphäre in sich. Der Vergleich der natürlichen Peridotite mit jenen aus dem Labor gab den Wissenschaftlern daher Hinweise darauf, welches ihrer Gasgemische der Uratmosphäre der Erde am nächsten kam.

Eine neue Sicht auf die Entstehung des Lebens
“Wir stellten fest, dass die junge Erde nach dem Abkühlen aus dem Magma-Zustand eine leicht oxidierende Atmosphäre mit Kohlendioxid als Hauptbestandteil sowie Stickstoff und etwas Wasser aufwies”, berichtet Sossi. Auch der Oberflächendruck war viel höher, fast hundertmal höher als heute und die Atmosphäre war aufgrund der heissen Oberfläche wesentlich höher. Aufgrund dieser Eigenschaften war die Uratmosphäre jener der heutigen Venus ähnlicher als der heutigen Erdatmosphäre.

Dr. Paolo Sossi ist SNF Ambizione Fellow an der ETH Zürich.

Dieses Ergebnis hat laut Sossi und seinen Kollegen zwei Hauptschlussfolgerungen:

Die erste ist, dass die Erde und die Venus in ihren Anfangsphasen recht ähnliche Atmosphären besassen, dass aber die Venus in der Folge durch die Nähe zur Sonne und die damit verbundenen höheren Temperaturen ihr Wasser verlor. Die Erde behielt jedoch ihr Wasser, vor allem in Form von Ozeanen. Diese nahmen einen grossen Teil des CO₂ aus der Luft auf und reduzierten dadurch den CO₂-Gehalt erheblich.

Die zweite Schlussfolgerung ist, dass eine populäre Theorie über das Entstehen von Leben auf der Erde nun viel unwahrscheinlicher ist. Dieses so genannte “Miller-Urey-Experiment”, bei dem Blitzeinschläge mit bestimmten Gasen (vor allem Ammoniak und Methan) zu Aminosäuren – den Bausteinen des Lebens – wechselwirkten, wäre schwierig zu realisieren gewesen. Die notwendigen Gase waren schlicht nicht in ausreichender Menge vorhanden.

“Während wir also einige Fragen zu den Ursprüngen des Lebens auf der Erde beantworten könnten, bleiben andere offen – wie z.B. die Frage, wie sich Leben in CO₂-reichen Atmosphären entwickeln kann “, so Sossi abschliessend, “so viel scheint aber klar: wie Ikarus zu nahe an der Sonne zu fliegen, macht das Leben schwierig”.

Angaben zur Publikation: Redox state of Earth’s magma ocean and its Venus-like early atmosphere, Sossi, P.A., Burnham, A. D., Badro, J., Lanzirotti, A., Newville, M. & O’Neill, H.St.C., Science Advances. doi: 10.1126/sciadv.abd1387