Wie ist die Uratmosphäre der Erde entstanden? Sind in der Frühzeit des Planeten alle Gase aus dem damals schmelzflüssigen Gestein entwichen, oder wurden sie beim langsamen Erkalten in den Tiefen „eingefangen“? Eine Antwort auf diese Fragen liefert jetzt eine in „Nature“ veröffentlichte Analyse von amerikanischen Forschern, die das Verhalten des Edelgases Argon in Mantelgestein untersuchten. Ihr Ergebnis widerlegt zumindest eine der beiden konkurrierenden Theorien zur urzeitlichen Ausgasung.
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Kurz nach ihrer Entstehung war die Erde von einer glühenden Schicht aus geschmolzenem Gestein bedeckt, die bis in mehrere hundert Kilometer Tiefe reichte. Als sich diese Schicht abkühlte, begann dieser Prozess an der Oberfläche und setzte sich dann nach und nach in die Tiefe fort. Was aber geschah dabei mit den Gasen, die die Erde bei ihrer Geburt noch besaß? Wurden sie alle auf einmal während des geschmolzenen Stadiums abgestoßen und bildeten die Uratmosphäre? Oder war diese Ausgasung unvollständig, wie einige Geowissenschaftler glauben, und ein Teil der so genannten primordialen Gase blieb bis heute im Gestein eingeschlossen?
Bis vor kurzem stand es zwischen diesen beiden Theorien quasi „unentschieden“. Doch E. Bruce Watson und seine Kollegen vom Rensselaer Forschungszentrum haben nun neue Belege dafür entdeckt, dass zumindest das Edelgas Argon bis heute in den Mineralien des Erdmantels gebunden ist. Es wandert zudem sehr viel langsamer im Gestein, als zuvor angenommen und selbst vulkanische Aktivität reicht nicht aus, um die Argon-Atome aus ihren „Ruhestätten“ im Erdmantel herauszulösen. Die andauernde Präsenz eines solchen Gases widerspricht aber in jedem Fall der Theorie der kompletten Ausgasung in der Jugendzeit der Erde und bestätigt eher die einer bis heute anhaltenden „Gefangenschaft“ der Gase in den Tiefen.
„Damit die Theorie einer Sequestrierung in der Tiefe stimmt, müssten bestimmte Gase trotz Mantelkonvektion und Vulkanismus im Boden bleiben“, erklärt Watson. „Unsere Daten deuten darauf hin, dass Argon tatsächlich im Mantel gefangen bleibt, selbst bei extrem hohen Temperaturen. Das macht es für den Untergrund schwer, das ständig durch den radioaktiven Zerfall von Kalium anfallende Argon loszuwerden.“
Wertvolle Indikatorgase
Argon und andere Edelgase sind für die Forscher wertvolle Indikatorgase, da sie besonders stabil sind und sich auch über lange Zeiträume hinweg kaum verändern. Kohlenstoff und Sauerstoff dagegen gehen ständig neue Bindungen miteinander und mit anderen Elementen ein und ihre Konzentrationen lassen sich daher langfristig kaum mehr nachvollziehen. „Indem wir das Verhalten des Argons in den Mineralien messen, können wir die Bildung der Erdatmosphäre nachvollziehen und verstehen, wie und ob eine vollständige Ausgasung stattgefunden hat“, so Watson. „Wir merkten schon an unseren ersten Ergebnissen, dass die Konsequenzen Aufregung auslösen könnten, daher wollten wir es doppelt und dreifach absichern.“
Die Wissenschaftler heizten Magnesiumsilikat-Mineralien aus dem Erdmantel in einer Argonatmosphäre auf und simulierten so die extrem hohen Temperaturen im Inneren der Erde. Dann untersuchten sie, ob und wie schnell die Argonatome aus der Atmosphäre in das Gestein einwanderten. Das Gestein nahm dabei unerwartet viel Argon auf, dies aber in extrem langsamer Geschwindigkeit. „Deshalb können wir nicht länger davon ausgehen, dass eine teilweise geschmolzene Region des Mantels automatisch alles Argon und letztlich auch alle anderen Edelgase verliert“, erklärt Watson.
Verwitterung der oberen Kruste liefert Argon
Wenn aber die Schmelze und später Vulkanausbrüche nicht die Quelle des Argons sind, woher kommt das eine Prozent des Edelgases in unserer Atmosphäre? „Wir schlagen vor, dass die Freisetzung des Argons in die Atmosphäre durch die Verwitterung der oberen Kruste und nicht durch das Schmelzen von Mantelgestein geschieht“, so der Forscher. „Die ozeanische Kruste wird beispielsweise durch das Meerwasser ständig erodiert.“ Und was ist mit dem urzeitlichen Argon, das vor Milliarden von Jahren in den Tiefen der Erde eingeschlossen wurde? „Ein Teil davon ist wahrscheinlich immer noch dort“, so Watson.
Die neuen Ergebnisse könnten auch Rückschlüsse auf unsere Schwesterplaneten Mars und Venus erlauben. Denn beide besitzen ein Mantelgestein, das in seiner Zusammensetzung dem der Erde ähnelt. Damit könnte auch bei ihnen rekonstruiert werden, wie sich die jeweiligen Atmosphären gebildet haben. „Wir müssen unsere Vorstellungen über die Atmosphärenentstehung grundsätzlich überdenken“, so die Rensselaer-Forscher. Sie werden jetzt ihre Analysen auch mit anderen Edelgasen fortsetzen, um ihre Ergebnisse weiter zu erhärten.
(Rensselaer Polytechnic Institute, 20.09.2007 – NPO)
