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Hochdruck-Experimente zeigen, warum die Erdatmosphäre viel Sauerstoff enthält

Die ersten Sonnenstrahlen offenbaren die blau-schimmernde Atmosphäre über Indonesien aus Sicht der Internationalen Raumstation (ISS). Copyright: NASA
Die ersten Sonnenstrahlen offenbaren die blau-schimmernde Atmosphäre über Indonesien aus Sicht der Internationalen Raumstation (ISS).
Copyright: NASA

Bayreuth (Deutschland) – Bislang war es rätselhaft, warum die Erdatmosphäre seit rund zwei Milliarden Jahren viel mehr Sauerstoff enthält als die Atmosphären anderer uns bekannter Planeten. Anhand von Hochdruck-Experimenten konnten Forscher nun eine bislang unbewiesene Vermutung erhärten.

Wie die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen um Dr. Katherine Armstrong von der University of California Davis und Dr. Catherine McCammon vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth aktuell im Fachjournal „Science“ (DOI: xx) berichten, bestätigen ihre Experimenten und Simulationen, dass es hohe Drücke in Magmaozeanen waren, in der frühen Erdgeschichte Prozesse auslösten, die dann bewirkten, dass der obere Erdmantel in einen stark oxidierten Zustand geriet. Dies führte in der Folgezeit dazu, dass sauerstoffhaltige Verbindungen wie Kohlendioxid und Wasser aus dem Erdmantel in die Atmosphäre entwichen.

Schon seit längerer Zeit ist bekannt, dass während der Entstehung der Erde viele kleinere Himmelskörper – sogenannte Planetenembryos und Planetoide – auf ihrer Oberfläche einschlugen, berichtet die Pressemitteilung der Universität Bayreuth und führt dazu weiter aus: „Dabei wurden enorme Energien freigesetzt, die große Gesteinsmengen schmelzen ließen. Es entstanden im Erdmantel heiße Magmaozeane, die in eine Tiefe von bis zu 2.500 Kilometer reichten und oxidiertes Eisen Fe²⁺ („ferrous iron“) enthielten.“

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In Hochdruck-Experimenten haben die Bayreuther Forscher nun die Drücke simuliert, die auf das Fe²⁺ in den Magmaozeanen eingewirkt haben. Dafür wurden in den Laboratorien des BGI Drücke von mehr als 20 Gigapascal erzeugt. „Dies entspricht dem Druck, der entstünde, wenn man die gesamte Masse des Eiffelturms auf einem Gegenstand platzieren würde, der so groß wie ein Golfball ist“, erläutert Armstrong.

In zahlreichen Versuchsreihen wurde dabei Fe²⁺-haltiges Gestein extrem hohen Drücken in diesem Größenbereich ausgesetzt: „Wie sich herausstellte, bleibt Fe²⁺ unter diesen Verhältnissen nicht stabil: Statt Fe²⁺ enthielten die Gesteinsproben am Ende der Versuche einerseits einen geringen Anteil von nicht-oxidiertem Eisen Fe⁰ („metallic iron“) und andererseits einen großen Anteil des stärker oxidierten Eisens Fe³+ („ferric iron“). Wenn der Druck am höchsten war, handelte es sich bei 96 Prozent des in den Proben enthaltenen Eisens um Fe³+.“

Diese Ergebnisse erhärten nun erstmals auf experimentellem Weg die Hypothese, laut der sich „in der frühen Erdgeschichte größere Mengen von Fe³+ gebildet haben, die nach der Abkühlung der Erde im oberen Mantel verblieben sind. Hingegen sank das in den Magmaozeanen entstandene nicht-oxidierte Eisen infolge seines großen Gewichts schon bald in den Erdkern hinab. Infolgedessen geriet der obere Erdmantel in einen relativ stark oxidierten Zustand. Es entstanden in relativ großer Nähe zur Erdoberfläche physikalisch-chemische Verhältnisse, die im Verlauf der folgenden Milliarden Jahre bewirkten, dass anstelle von Methan und Wasserstoff große Mengen an sauerstoffhaltigen Verbindungen – insbesondere Kohlendioxid und Wasser – freigesetzt und in die Erdatmosphäre entlassen wurden.“

Zwar sei es nicht das Ziel, zu behaupten, dass der im Vergleich mit anderen Planeten hohe Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre allein durch hochdruckbedingte Veränderungen von Eisen zustande gekommen ist, kommentieren die Autoren abschließend. „Aber eines scheint jetzt klar zu sein: Diese Prozesse haben einen wesentlichen Anteil daran, dass die Erde bis heute von einer sauerstoffreichen Atmosphäre umgeben ist.“

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Quelle: Universität Bayreuth

© grenzwissenschaft-aktuell.de

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Andreas Müller
Fachjournalist Anomalistik | Autor | Publizist
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