Eigentlich blicken sie eher nach unten als nach oben: die Mineralogen. Doch die geradezu detektivische Spurensuche am und im Gestein hat auch neue Erkenntnisse darüber gebracht, in welchen Schritten sich die Atmosphäre der Erde entwickelt hat.
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Technologien und Studien der letzten fünf Jahre haben entscheidend dazu beigetragen, dass insbesondere die Entstehung der schützenden Ozonschicht unseres Planeten jetzt besser verstanden ist als zuvor. Wie diese neuen Erkenntnisse zustande gekommen sind, beschreibt Douglas Rumble, Forscher am geophysikalischen Laboratorium der Carnegie Institution und Präsident der amerikanischen Mineralogischen Gesellschaft, in einem Artikel im Amerikanischen Mineralogen.
Steinige Spurensuche
„Gesteine, Fossilien und andere natürliche Relikte enthalten Hinweise auf vergangene Umweltbedingungen in Form von verschiedenen Isotopen – atomaren Varianten von Elementen mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber unterschiedlich vielen Neutronen“, erklärt der Wissenschaftler. „Meerwasser, Regenwasser, Sauerstoff und Ozon enthalten beispielsweise alle unterschiedliche Verhältnisse – oder Fingerabdrücke – der Sauerstoffisotope 16O, 17O und 18O. Verwitterung, das Grundwasser und die direkte Ablagerung von atmosphärischen Aerosolen verändern die Verhältnisse dieser Isotope in einem Gestein und verraten dadurch eine Menge über das Klima der Vergangenheit.“
Rumble beschreibt, wie Geochemiker, Mineralogen und Petrologen die Anomalien der Sauerstoff- und Schwefelisotope untersuchten, um daraus Stück für Stück zu erfahren, was mit der Atmosphäre der Erde vor Milliarden von Jahren geschah. Damals, vor rund 3.9 Milliarden Jahren, hatte sich die Kruste der Erde gerade gebildet und es gab noch keinen Sauerstoff in der Atmosphäre. Doch schon gut 1,6 Milliarden Jahre später, vor 2,3 Milliarden Jahren, hatte sich das Bild bereit deutlich gewandelt: Eine erste einfache Sauerstoffatmosphäre war entstanden.
An der Detektivarbeit, die zur Klärung dieser Frage führte, waren und sind ein ganzes Pantheon von Forschern und Dutzende verschiedener Methoden beteiligt. Sie analysierten Oberflächenmineralien aus allen Ecken und Ende der Erde und nutzen Ballons und Raketen um Gasproben aus der Atmosphäre zu entnehmen. Sie erbohrten und beprobten Eisbohrkerne aus der Antarktis, führten umfangreiche Laboruntersuchungen durch und berechneten mathematische Modelle.
Evolution der Atmosphäre
Erst die Synthese von verschiedenen Feldern und Techniken ergab, dass das ultraviolette Licht der Sonne eine der treibenden Kräfte für die Evolution der Atmosphäre gewesen sein muss. Unter dem Einfluss des solaren UV-Lichts zerfiel der zweiatomige molekulare Sauerstoff (O2) und schuf so die Voraussetzung für das Entstehen des dreiatomigen Ozons (O3). Dabei hinterließ dies jedoch eine verräterische Isotopen-Signatur von überschüssigem 17O – die erst durch die Untersuchungen der Mineralogen entdeckt wurde.
Die Entdeckung dieser zuvor unerwarteten Isotopen-Anomalie liefert jedoch nicht nur ein Fenster in die Vergangenheit, sie ist auch ein wichtiges Hilfsmittel zur Erforschung und Vorhersage der Zukunft: Insbesondere die Veränderungen und Interaktionen von Atmosphäre und Klima können mithilfe solcher Untersuchungen und Erkenntnisse heute besser erforscht werden.
(Carnegie Institution, 04.05.2005 – NPO)
