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Erdgeschichte

Wie kosmische Bomben die Atmosphäre prägten

Künstlerische Darstellung von Asteroiden, die durch die Atmosphäre der jungen Erde rasen. (Bild: SwRI/Dan Durda, Simone Marchi)

Unterschätztes Bombardement: Große Asteroiden und Kometen trafen die Erde vor 3,5 bis 2,5 Milliarden Jahren zehnmal häufiger als bisher angenommen, berichten Forscher. Ihre Modelle verdeutlichen zudem, wie diese Einschläge die Entwicklung der Erdatmosphäre geprägt haben: Sie verzögerten die Anreicherung der Luft mit Sauerstoff. Die neuen Modelle können nun zum Verständnis der Prozesse beitragen, durch die unser Planet sich zu der Welt entwickelte, die wir kennen.

Noch immer droht uns Gefahr aus dem All: Durch das „Billard“ zwischen den Himmelskörpern in unserem Sonnensystem können Asteroiden und Kometen auf Kollisionskurs mit der Erde geraten und schließlich für katastrophale Einschläge sorgen. Doch die heutige Wahrscheinlichkeit für solche Karambolagen ist im Vergleich zur Frühzeit der Erde gering: Im Zeitalter des Archaikums, vor etwa 4 bis circa 2,5 Milliarden Jahren, krachte es ausgesprochen häufig und heftig. Dies geht aus Datierungen von Mondkratern hervor sowie aus Funden von irdischen Spuren der Einschläge. Doch nach wie vor scheint unklar, wie häufig die Erde damals von mehr als zehn Kilometer großen Objekten getroffen wurde und inwieweit der Fallout solcher Einschläge die Atmosphäre, insbesondere ihren Sauerstoffgehalt, beeinflusste.

Dem Bombardement auf der Spur

Neue Einblicke liefern nun Forscher um Simone Marchi vom Southwest Research Institute in Boulder. Ihre Ergebnisse basieren dabei auf neuen Informationen zu den irdischen Spuren, die Einschläge im späten Archaikum vor 3,5 bis 2,5 Milliarden verursacht haben. Es handelt sich dabei um sogenannte Impaktkügelchen (Sphärulen), die bei den infernalischen Kollisionen entstanden sind. Dabei schmolz und verdampfte Gesteinsmaterial in der Erdkruste und schoss in riesigen Wolken nach oben. Kleine Tröpfchen des geschmolzenen Gesteins verfestigten sich anschließend und fielen als sandkorngroße Partikel auf die Erdoberfläche zurück. Sie bildeten dort dünne Schichten, die an manchen Orten der Erde nachzuweisen sind.

Wie die Forscher berichten, wurden in den letzten Jahren in Bohrkernen und geologischen Strukturen eine Reihe neuer Schichten mit Impaktkügelchen identifiziert, wodurch sich die Gesamtzahl der bekannten Einschlagsereignisse in der frühen Erdgeschichte deutlich erhöht hat. Dies ermöglichte es dem Team, bestehende Bombardierungsmodelle zu aktualisieren. Den Ergebnissen zufolge wurde das Ausmaß der Einschläge im späten Archaikum bisher deutlich unterschätzt: „Es zeichnet sich ab, dass der Impaktorenfluss zu dieser Zeit bis zu zehnmal höher war als bisher angenommen“, sagt Marchi.

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Einschläge fraßen Sauerstoff

Auf der Grundlage dieser neuen Einschätzung modellierten die Forscher dann, wie all diese Einschläge die Atmosphäre beeinflusst haben könnten. „Aus unseren Ergebnissen geht hervor, dass die Impaktoren, die auf der frühen Erde einschlugen, eine wichtige Sauerstoffsenke darstellten. Der Beschuss hat demnach wohl die Oxidation der Erdatmosphäre deutlich verzögert“, sagt Marchi. Wie die Forscher erklären, ist der Sauerstoffgehalt in der Erdatmosphäre auf ein Gleichgewicht von Produktions- und Abbauprozessen zurückzuführen. „Das spätarchaische Bombardement von Objekten mit einem Durchmesser von mehr als zehn Kilometer hätte genügend reaktive Gase erzeugt, um die geringen Mengen an atmosphärischem Sauerstoff vollständig zu verbrauchen“, erklärt Co-Autorin Laura Schaefer von der Stanford University.

Diese Ergebnisse passen wiederum zu geologischen Hinweisen auf sogenannte „Whiffs“ – relativ steile, aber vorübergehende Anstiege des atmosphärischen Sauerstoffs, die besonders vor etwa 2,5 Milliarden Jahren auftraten. „Wir glauben, dass diese Anstiege durch Einschläge unterbrochen wurden, die den Sauerstoff aus der Atmosphäre entfernten. Dies stimmt dabei auch mit Hinweisen auf große Einschläge überein, die in den Sphärulen-Lagen der australischen Bee Gorge und Dales Gorge nachgewiesen wurden“, sagt Schaefer.

Vor etwa 2,4 Milliarden Jahren – am Ende des intensiven Bombardements – kam es dann allerdings zu einem deutlichen Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffgehalts, der als „Great Oxidation Event“ bezeichnet wird. „Die Einschlagsdämpfe verursachten vor dieser Entwicklung episodisch niedrige Sauerstoffwerte über große Zeitspannen hinweg“, sagt Marchi. „Doch im Laufe der Zeit wurden die Kollisionen dann immer seltener und zu klein, um den Sauerstoffgehalt nach dem Great Oxidation Event signifikant zu verändern. Die Erde schlug damit den Entwicklungsweg ein, der sie zu der Welt machte, die wir heute kennen“, so der Wissenschaftler.

Quelle: Harvard University, Southwest Research Institute, Fachartikel: Nature Geoscience, doi: 10.1038/s41561-021-00835-9

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