Die Enthüllung der Geheimnisse der urzeitlichen Atmosphäre der Erde vor 4,5 Milliarden Jahren und die Entstehung des Lebens.

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Ein Team von internationalen Wissenschaftlern unter der Leitung des ETH-Forschers Paolo Sossi hat neue Erkenntnisse über die Erdatmosphäre vor 4,5 Milliarden Jahren gewonnen. Ihre Ergebnisse haben Auswirkungen auf die möglichen Ursprünge des Lebens auf der Erde.

Vor viereinhalb Milliarden Jahren wäre die Erde schwer zu erkennen gewesen. Statt der Wälder, Berge und Ozeane, die wir heute kennen, war die Oberfläche unseres Planeten vollständig von Magma bedeckt – dem geschmolzenen Gesteinsmaterial, das beim Ausbruch von Vulkanen entsteht. In diesem Punkt ist sich die wissenschaftliche Gemeinschaft einig. Weniger klar ist, wie die damalige Atmosphäre aussah. Neue internationale Forschungsanstrengungen unter der Leitung von Paolo Sossi, Senior Research Fellow an der ETH Zürich und dem NFS PlanetS, versuchen, einige der Geheimnisse der Uratmosphäre der Erde zu lüften. Die Ergebnisse wurden heute in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Magma im Labor herstellen

“Vor viereinhalb Milliarden Jahren tauschte das Magma ständig Gase mit der darüber liegenden Atmosphäre aus”, beginnt Sossi zu erklären. “Die Luft und das Magma beeinflussten sich gegenseitig. So kann man das eine vom anderen lernen.”

Um etwas über die Uratmosphäre der Erde zu erfahren, die ganz anders war als heute, schufen die Forscher deshalb im Labor ihr eigenes Magma. Dazu mischten sie ein Pulver, das der Zusammensetzung des geschmolzenen Erdmantels entsprach, und erhitzten es. Was einfach klingt, erforderte, wie Sossi betont, die neuesten technologischen Fortschritte: “Die Zusammensetzung unseres mantelähnlichen Pulvers machte es schwierig zu schmelzen – wir benötigten sehr hohe Temperaturen von etwa 2.000° Celsius.

Dazu bedurfte es eines speziellen Ofens, der mit einem Laser beheizt wurde und in dem die Forscher das Magma schweben lassen konnten, indem sie Ströme von Gasgemischen um ihn herum strömen ließen. Diese Gasgemische waren plausible Kandidaten für die Uratmosphäre, die, wie vor 4,5 Milliarden Jahren, das Magma beeinflusst hat. Mit jedem Gasgemisch, das die Probe umströmte, fiel das Magma also etwas anders aus.

“Der Hauptunterschied, nach dem wir suchten, war, wie oxidiert das Eisen innerhalb des Magmas wurde”, erklärt Sossi. Mit weniger genauen 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.

Dieser Grad der Eisenoxidation im abgekühlten Magma gab Sossi und seinen Kollegen etwas, das sie mit natürlich vorkommenden Gesteinen vergleichen konnten, aus denen der heutige Erdmantel besteht – den so genannten Peridotiten. Die Eisenoxidation in diesen Gesteinen hat noch immer den Einfluss der darin eingeprägten Uratmosphäre. Der Vergleich der natürlichen Peridotite mit denen aus dem Labor gab den Wissenschaftlern deshalb Hinweise darauf, welche ihrer Gasmischungen der Uratmosphäre der Erde am nächsten kamen.

Eine neue Sicht auf die Entstehung von Leben

“Wir stellten fest, dass die junge Erde nach der Abkühlung aus dem Magmazustand 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 viel höher. Durch diese Eigenschaften war sie der Atmosphäre der heutigen Venus ähnlicher als der der heutigen Erde.

Dieses Ergebnis hat laut Sossi und seinen Kollegen zwei Hauptschlussfolgerungen: Die erste ist, dass die Erde und die Venus am Anfang eine recht ähnliche Atmosphäre hatten, aber die Venus verlor in der Folge aufgrund der größeren Nähe zur Sonne und den damit verbundenen höheren Temperaturen ihr Wasser. 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 heute viel unwahrscheinlicher erscheint. Dieses so genannte “Miller-Urey-Experiment”, bei dem Blitzeinschläge mit bestimmten Gasen (vor allem Ammoniak und Methan) in Wechselwirkung treten, um Aminosäuren – die Bausteine des Lebens – zu bilden, wäre schwer zu realisieren gewesen. Die notwendigen Gase waren einfach nicht in ausreichender Menge vorhanden.

Referenz: “Redox-Zustand des Magma-Ozeans der Erde und seiner Venus-ähnlichen frühen Atmosphäre” von Paolo A. Sossi, Antony D. Burnham, James Badro, Antonio Lanzirotti, Matt Newville und Hugh St.C. O’Neill, 25. November 2020, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abd1387.

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