War­um die Erd­at­mo­sphä­re viel Sauer­stoff ent­hält: Bay­reu­ther For­scher simu­lie­ren Pro­zes­se in frü­hen Mag­ma­ozea­nen

Dr. Catherine McCammon in einem Hochdruck-Labor des Bayerischen Geoinstituts. Foto: Christian Wißler.

Dr. Cathe­ri­ne McCam­mon in einem Hoch­druck-Labor des Baye­ri­schen Geo­in­sti­tuts. Foto: Chri­sti­an Wiß­ler.

Lan­ge Zeit war es rät­sel­haft, wes­halb die Erd­at­mo­sphä­re seit rund zwei Mil­li­ar­den Jah­ren viel mehr Sauer­stoff ent­hält als die Atmo­sphä­re ande­rer bekann­ter Pla­ne­ten. For­scher am Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut (BGI) der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben jetzt durch Hoch­druck-Expe­ri­men­te eine bis­lang unbe­wie­se­ne Ver­mu­tung erhär­tet: Hohe Drücke in Mag­ma­ozea­nen lösten in der frü­hen Erd­ge­schich­te Pro­zes­se aus, die bewirk­ten, dass der obe­re Erd­man­tel in einen stark oxi­dier­ten Zustand geriet. Dies führ­te in der Fol­ge­zeit dazu, dass sauer­stoff­hal­ti­ge Ver­bin­dun­gen wie Koh­len­di­oxid und Was­ser aus dem Erd­man­tel in die Atmo­sphä­re ent­wi­chen. In „Sci­ence“ stel­len die Wis­sen­schaft­ler ihre For­schungs­er­geb­nis­se vor.

Schon seit län­ge­rer Zeit weiß man, dass wäh­rend der Ent­ste­hung der Erde vie­le klei­ne­re Him­mels­kör­per – soge­nann­te Pla­ne­ten­em­bry­os und Pla­ne­to­ide – auf ihrer Ober­flä­che ein­schlu­gen. Dabei wur­den enor­me Ener­gien frei­ge­setzt, die gro­ße Gesteins­men­gen schmel­zen lie­ßen. Es ent­stan­den im Erd­man­tel hei­ße Mag­ma­ozea­ne, die in eine Tie­fe von bis zu 2.500 Kilo­me­ter reich­ten und oxi­dier­tes Eisen Fe²⁺ („fer­rous iron“) ent­hiel­ten. Die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler haben nun in Hoch­druck-Expe­ri­men­ten die Drücke simu­liert, die auf das Fe²⁺ in den Mag­ma­ozea­nen ein­ge­wirkt haben. Dafür wur­den in den Labo­ra­to­ri­en des BGI Drücke von mehr als 20 Giga­pas­cal erzeugt. „Dies ent­spricht dem Druck, der ent­stün­de, wenn man die gesam­te Mas­se des Eif­fel­turms auf einem Gegen­stand platz­ie­ren wür­de, der so groß wie ein Golf­ball ist“, sagt Kathe­ri­ne Arm­strong, die Erst­au­torin der Stu­die, die an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth pro­mo­viert hat und heu­te an der Uni­ver­si­ty of Cali­for­nia Davis arbei­tet.

In zahl­rei­chen Ver­suchs­rei­hen wur­de Fe²⁺-haltiges Gestein äußerst hohen Drücken in die­sem Grö­ßen­be­reich aus­ge­setzt. Wie sich her­aus­stell­te, bleibt Fe²⁺ unter die­sen Ver­hält­nis­sen nicht sta­bil: Statt Fe²⁺ ent­hiel­ten die Gesteins­pro­ben am Ende der Ver­su­che einer­seits einen gerin­gen Anteil von nicht-oxi­dier­tem Eisen Fe⁰ („metal­lic iron“) und ande­rer­seits einen gro­ßen Anteil des stär­ker oxi­dier­ten Eisens Fe³+ („fer­ric iron“). Wenn der Druck am höch­sten war, han­del­te es sich bei 96 Pro­zent des in den Pro­ben ent­hal­te­nen Eisens um Fe³+.

Die­se Ergeb­nis­se erhär­ten nun erst­mals auf expe­ri­men­tel­lem Weg die Hypo­the­se, dass sich in der frü­hen Erd­ge­schich­te grö­ße­re Men­gen von Fe³+ gebil­det haben, die nach der Abküh­lung der Erde im obe­ren Man­tel ver­blie­ben sind. Hin­ge­gen sank das in den Mag­ma­ozea­nen ent­stan­de­ne nicht-oxi­dier­te Eisen infol­ge sei­nes gro­ßen Gewichts schon bald in den Erd­kern hin­ab. Infol­ge­des­sen geriet der obe­re Erd­man­tel in einen rela­tiv stark oxi­dier­ten Zustand. Es ent­stan­den in rela­tiv gro­ßer Nähe zur Erd­ober­flä­che phy­si­ka­lisch-che­mi­sche Ver­hält­nis­se, die im Ver­lauf der fol­gen­den Mil­li­ar­den Jah­re bewirk­ten, dass anstel­le von Methan und Was­ser­stoff gro­ße Men­gen an sauer­stoff­hal­ti­gen Ver­bin­dun­gen – ins­be­son­de­re Koh­len­di­oxid und Was­ser – frei­ge­setzt und in die Erd­at­mo­sphä­re ent­las­sen wur­den.

„Wir wol­len in unse­rer neu­en Stu­die nicht behaup­ten, dass der im Ver­gleich mit ande­ren Pla­ne­ten hohe Sauer­stoff­ge­halt der Erd­at­mo­sphä­re allein durch hoch­druck­be­ding­te Ver­än­de­run­gen von Eisen zustan­de gekom­men ist. Aber eines scheint jetzt klar zu sein: Die­se Pro­zes­se haben einen wesent­li­chen Anteil dar­an, dass die Erde bis heu­te von einer sauer­stoff­rei­chen Atmo­sphä­re umge­ben ist“, sagt Dr. Cathe­ri­ne McCam­mon vom Baye­ri­schen Geo­in­sti­tut, die an den For­schungs­ar­bei­ten mit­ge­wirkt hat.

Ver­öf­fent­li­chung:

Kathe­ri­ne Arm­strong, Dani­el J. Frost, Cathe­ri­ne A. McCam­mon, David C. Rubie, Tizia­na Bof­fa Ball­ar­an: Deep mag­ma oce­an for­ma­ti­on set the oxi­da­ti­on sta­te of Earth’s mant­le. Sci­ence (2019), Vol. 365, Issue 6456, 903–906. DOI: 10.1126/science.aax8376.