Zürich (Schweiz) – Ein internationales Forscherteam hat neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung der Erdatmosphäre vor 4,5 Milliarden Jahren gewonnen. Die Ergebnisse lassen auch Rückschlüsse auf die Ursprünge des Lebens auf der Erde zu.
Wie das Team unter der Leitung von Paolo Sossi von der ETH Zürich aktuell im Fachjournal „Science Advances“ (DOI: 10.1126/sciadv.abd1387) berichtet, wäre unsere Erde – würden wir sie heute in ihrem Zustand vor rund 4,5 Milliarden Jahren sehen – kaum wieder zu erkennen: Anstelle von Wäldern, Bergen und Ozeanen war die Oberfläche unseres Planeten damals vollständig von Magma bedeckt, dem geschmolzenen Gesteinsmaterial, das beim Ausbruch von Vulkanen an die Oberfläche kommt. In diesem Punkt sind sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heute einig. „Unklar ist hingegen, wie die Atmosphäre zu jener Zeit aussah“, so die Forschenden.
Das Ergebnis der neuen Studie bringt nun einige der Geheimnisse der Uratmosphäre ans Licht: „Vor 4,5 Milliarden Jahren tauschte das Magma ständig Gase mit der Atmosphäre aus“, erklärt Paolo Sossi und führt dazu weiter aus: „Die Luft und das Magma beeinflussten sich dabei gegenseitig. Untersucht man das eine, lernt man auch etwas über das andere.“
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Um diese Uratmosphäre besser zu verstehen, erzeugten die Forschenden im Labor zunächst eigenes Magma aus einem erhitzten Pulver, das der Zusammensetzung des geschmolzenen Erdmantels entspricht. Allerdings erschwerte die Zusammensetzung des erdmantelähnlichen Pulvers das Schmelzen. Dieses gelang erst bei hohen Temperaturen von etwa 2000 °C in einem speziellen Ofen, in dem das künstliche Magma in einem Strom verschiedener Gase, die der vermuteten Uratmosphäre entsprachen, schwebte.
Auf diese Weise beeinflussten die Gase im Ofen das flüssige Magma und simulierten so die Wechselwirkung der Materialien wie vor 4,5 Milliarden Jahren. Je nach Gasgemisch änderte sich die Zusammensetzung des Magmas.
„Uns interessierte vor allem das Eisen im Magma“, erläutert Sossi. „Wenn Eisen auf Sauerstoff trifft, oxidiert es und verwandelt sich in das, was wir gemeinhin als Rost bezeichnen.“ Enthielt das Gasgemisch im Ofen also viel Sauerstoff, oxidierte auch das Eisen im Magma stärker.
Nachdem die Proben abgekühlt waren, konnten die Forschenden den jeweiligen Oxidationsgrad des Eisens ermitteln und verglichen diese dann anschließend mit sogenannten Peridotiten, also m tragen noch den Einfluss der Uratmosphäre in sich tragen.
„Wir stellten fest, dass die junge Erde nach dem Abkühlen aus dem anfänglichen Magma-Zustand eine leicht oxidierende Atmosphäre mit Kohlendioxid als Hauptbestandteil sowie Stickstoff und etwas Wasser aufwies“, berichtet das Team um Sossi. „Auch der Oberflächendruck war viel höher als heute, fast hundertmal höher, und die Atmosphäre war aufgrund der heißen Oberfläche wesentlich höher. Die Uratmosphäre war also jener der heutigen Venus ähnlicher als der heutigen Erdatmosphäre.“
Aus den neuen Erkenntnissen ziehen Sossi und seinen Kollegen zwei Hauptschlussfolgerungen: „Die erste ist, dass die Erde und die Venus in ihren Anfangsphasen recht ähnliche Atmosphären besaßen, dass die Venus aber aufgrund ihrer Nähe zur Sonne und der damit verbundenen höheren Temperaturen in der Folge ihr Wasser verlor. Die Erde jedoch behielt ihr Wasser. Dieses bedeckt heute als Ozeane den größten Teil der Erdoberfläche. Die Ozeane nahmen einen großen Teil des Kohlendioxids aus der Erdatmosphäre auf und reduzierten dadurch dessen Gehalt in der Luft erheblich.“
Die zweite Schlussfolgerung ist, dass eine populäre Theorie über das Entstehen des Lebens auf der Erde nun viel unwahrscheinlicher ist: Basierend auf dem sogenannten ‚Miller-Urey-Experiment‘ geht diese Theorie davon aus, dass Blitzeinschläge in Kombination mit bestimmten Gasen (vor allem Ammoniak und Methan) zur Bildung von Aminosäuren führten, den Bausteinen des Lebens. Gemäß Sossi wäre das schwierig zu realisieren gewesen: „Die notwendigen Gase waren schlicht nicht in ausreichender Menge vorhanden.“
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Quelle: ETH Zürich
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