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Urzeitliche Gashülle

Der Venus-Atmosphäre ähnlich

Künstlerische Darstellung der heißen, dichten und CO2-reichen Uratmosphäre (links) und der heutigen Gashülle der Erde (rechts). (Bild: Tobias Stierli / NFS PlanetS)

Welche Merkmale besaß die Erdatmosphäre in der heißen Jugend unseres Planeten? Einblicke in diese Frage haben nun Laborexperimente mit geschmolzenem Gestein und Gasen geliefert. Vor 4,5 Milliarden Jahren entstand demnach über dem damaligen Magma-Ozean eine ähnliche Atmosphäre wie sie heute noch die Venus besitzt. Dass die Erdatmosphäre sich anders als auf unserem Nachbarplaneten entwickelte und schließlich lebensfreundliche Bedingungen ermöglichte, hat mit der größeren Entfernung zur Sonne zu tun, erklären die Wissenschaftler.

Wo heute Meere, Berge und üppige Landschaften die Erdoberfläche prägen, gab es einst nur brodelnde Glut: Vor viereinhalb Milliarden Jahren war unser Planet noch vollständig von geschmolzenem Gesteinsmaterial bedeckt, wie es heute nur noch aus Vulkanen austritt. Dieser Urzustand der Erdoberfläche gilt als wissenschaftlich gesichert, unklar ist hingegen, was sich darüber befand. Der Erforschung der Uratmosphäre hat sich nun ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich durch Simulationen der möglichen Bedingungen auf der urzeitlichen Erde gewidmet. „Vor 4,5 Milliarden Jahren tauschte das Magma ständig Gase mit der Atmosphäre aus“, erklärt Erstautor Paolo Sossi von der ETH Zürich. „Die Luft und das Magma beeinflussten sich dabei gegenseitig. Untersucht man das eine, lernt man auch etwas über das andere“, so der Wissenschaftler.

Schwebendes Labor-Magma

Die Forscher haben Lava durch Laser erzeugt und auf einem Gasstrom schweben lassen. (Bild: IPGP)

Um Rückschlüsse auf die Uratmosphäre der Erde zu ermöglichen, stellten er und seine Kollegen ihr eigenes Magma im Labor her. Dazu erzeugten sie eine Mischung, die der Zusammensetzung des Mantelmaterials der Erde entspricht und erhitzten das Pulver bis zu einem glutflüssigen Zustand. Um dem Material die dazu nötigen 2000 Grad Celsius zu verleihen und es mit Gasen in Verbindung bringen zu können, nutzten die Wissenschaftler raffinierte Technik: Das Pulver wurde in einem speziellen Ofen durch Laserstrahlen erhitzt. Dabei ließen die Forscher den glutflüssigen Klumpen durch das Verfahren der sogenannten aerodynamischen Levitation schweben: Das Labor-Magma tanzte gleichsam auf einem gezielten Strom aus Gasen. Dabei handelt es sich um Gemische, deren Zusammensetzung verschiedene mögliche Versionen der Uratmosphäre darstellten.

Wie die Forscher erklären, erlaubten die Wirkungen der Gasgemische auf das Magma Rückschlüsse darauf, welche Zusammensetzung der Atmosphäre vor 4,5 Milliarden Jahren entsprach. „Uns interessierten vor allem die Wirkungen auf das Eisen im Magma. Denn wenn Eisen auf Sauerstoff trifft, oxidiert es und verwandelt sich in das, was wir gemeinhin als Rost bezeichnen“, sagt Sossi. Wenn das Gasgemisch im Ofen viel Sauerstoff enthielt, wurde das Eisen im Magma auch entsprechend stärker oxidiert, erklärt der Wissenschaftler.

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Nachdem die Proben abgekühlt waren, konnte die Forscher untersuchen, wie stark das Eisen je nach der Zusammensetzung des Gasgemischs oxidiert worden war. Die gewonnen Daten verglichen sie dann mit Analyseergebnissen von sogenannten Peridotiten. Dabei handelt es sich um Gesteine des heutigen Erdmantels, die aus der Zeit von vor 4,5 Milliarden Jahren stammen. Sie bildeten sich demnach unter dem Einfluss der damaligen Atmosphäre.

Ähnlich wie auf der heutige Venus

„Wir stellten fest, dass die junge Erde nach dem Abkühlen aus dem anfänglichen Magma-Zustand eine nur leicht oxidierende Atmosphäre mit Kohlendioxid als Hauptbestandteil sowie Stickstoff und etwas Wasser besaß“, berichtet Sossi. Aus den Ergebnissen ging zudem hervor, dass der Oberflächendruck damals fast hundertmal höher war als heute. Aufgrund der heißen Oberfläche dehnte sich die Atmosphäre wohl auch in weit größere Höhen aus. Mit diesen Merkmalen war die urzeitliche Gashülle unseres Planeten jener der heutigen Venus deutlich ähnlicher als der heutigen Erdatmosphäre, resümieren die Wissenschaftler.

Aus den Ergebnissen geht somit erneut hervor, dass die Erde und die Venus in ihren Anfangsphasen recht ähnliche Merkmale besaßen. Doch die Schwesterplaneten nahmen eine unterschiedliche Entwicklung: Die Venus konnte aufgrund der größeren Nähe zur Sonne und der damit verbundenen höheren Temperaturen vor allem das Wasser nicht langfristig halten und verlor es schließlich ins All. Die Erde konnte sich ihren flüssigen Schatz hingegen sichern. Dies hatte wiederum Auswirkungen auf die weitere Entwicklung der Erdatmosphäre: Die Ozeane nahmen einen Großteil des Kohlendioxids auf und reduzierten dadurch dessen Gehalt in der Luft erheblich. Letztendlich entwickelten sich dadurch die atmosphärischen Bedingungen, die das Leben ermöglichten und bis heute unseren blauen Planeten prägen.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Fachartikel: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abd1387

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