Astronomie : Eine chemische Thermodecke wärmte die Ur-Erde

Eigentlich war es vor knapp vier Milliarden Jahren auf der Erde zu kalt für flüssiges Wasser. Trotzdem gab es welches. Astrophysiker haben jetzt eine Idee, warum.

Etwa 3,8 Milliarden Jahre ist es her, dass zum ersten Mal Regen auf die noch junge Erdoberfläche fiel. Das Alter dieser ältesten Regentropfen lässt sich heute noch nachweisen, da sie Spuren hinterlassen haben – beispielsweise dort, wo die Erde mit Schlamm oder Lehm bedeckt war. Auch ihre Zusammensetzung können Geologen aus fossilen Abdrücken der Regentropfen bestimmen.

Und da zeigt sich, dass in ihnen mehr Wasserstoff und Stickstoff steckte als bislang vermutet. "Vulkane haben damals noch mehr Wasserstoff in die Atmosphäre geblasen als heute", sagt Robin Wordsworth von der Abteilung für geologische Wissenschaften der Universität von Chicago. Es gab noch keinen Sauerstoff in der Luft, weil noch keine Pflanzen existierten, die ihn per Fotosynthese produziert haben. "Der Anteil von Wasserstoff dürfte also fünf bis zehn Prozent der gesamten Atmosphäre ausgemacht haben", sagt der britische Planetenwissenschaftler.

Wordsworth und seine Kollegen haben in Simulationen durchgespielt, welche Folgen eine andere Zusammensetzung der frühen Atmosphäre für die Erde gehabt hätte. Denn auch der Anteil von Stickstoff dürfte früher höher gewesen sein. Stickstoff reagiert nur langsam mit Gestein. Es hält sich vorwiegend in der Atmosphäre auf. "Wir glauben, dass aller auf der jungen Erde vorhandene Stickstoff frei in der Luft schwebte und erst viel später von Gestein gebunden wurde", so die Vermutung der Geologen in Chicago. In der aktuellen Ausgabe des Magazins Science haben sie ihre Ergebnisse veröffentlicht. Demnach dürfte es damals mindestens dreimal so viel Stickstoff in der Atmosphäre gegeben haben wie heute.

Diese Werte sind keineswegs nur interessant für Statistiker. Im Gegenteil – sie haben praktische Konsequenzen für die Temperaturen, die auf der Erde vor 3,8 Milliarden Jahren geherrscht haben müssen. In einer derart mit Stickstoff und Wasserstoff  angereicherten Atmosphäre kollidieren diese Moleküle bisweilen und bleiben zusammen. Diese neuen Moleküle sind in der Lage, Infrarot-Photonen zu schlucken, die von der Erdoberfläche als reflektiertes Sonnenlicht zurückgeworfen werden. "Dieses Prinzip ähnelt einer Thermodecke, denn der Effekt wäre eine Erwärmung des Planeten", erklärt Robin Wordsworth.

Im Verbund haben Wasserstoff und Stickstoff einen Treibhauseffekt

Das Ergebnis bestätigt James Kasting von der Abteilung für Geowissenschaften der Pennsylvania State University. "Normalerweise sind Wasserstoff und Stickstoff keine Treibhausgase", relativiert der Planetenwissenschaftler. Sie sind symmetrisch aufgebaut und haben keine Ladung, reagieren also nicht mit anderen Molekülen. "Tun sie sich jedoch zusammen und kollidieren dann mit den Infrarot-Photonen der Sonnen, versetzen diese sie in Schwingung." Die Energie der Photonen wird gespeichert. "Und das verursacht ebenfalls einen Treibhauseffekt", wie Kasting bestätigt. Die Temperatur der frühen Erde könnten demnach um etwa zehn Grad höher gelegen haben, als bisher gedacht. Das würde auch die vielen fossilen Hinweise auf flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche erklären. Bisher hatten Forscher gerätselt, warum offenbar nicht sämtliches Erdenwasser in jeder Zeit gefroren war.

Dieses Modell bringt auch Erkenntnisse für andere Planeten mit sich. Die habitablen Zonen nämlich, jene Bereiche eines Planetensystems, in denen es flüssiges Wasser und damit lebensfreundliche Bedingungen geben könnte, wären wesentlicher ausgedehnter, als bislang vermutet. Erdähnliche Planeten könnten bis zur Umlaufbahn von Saturn hinaus lebensfreundlich sein. Das wäre ein Vielfaches der bisherigen Schätzungen. "Auch wenn die Sonne dort draußen schwächer schiene, könnte ausreichend Wasserstoff in der Atmosphäre für flüssiges Wasser sorgen", so die Überlegung von James Kasting. Womit das Prinzip der Thermodecke also auch anderswo im All funktionieren könnte.

Verlagsangebot

Lesen Sie weiter.

Noch mehr faszinierende Wissenschaftsthemen jetzt im digitalen ZEIT WISSEN-Abo.

Hier sichern

Kommentare

17 Kommentare Kommentieren

Die Atmosphäre ist quasi wie ein Luftballon

"bläst" man sie weiter auf, dann wird sie halt größer, reicht also weiter hinauf. Derzeit ist der Stickstoff für ca. 0,8 bar der ca. 1,0 bar Luftdruck verantwortlich, die wir auf Meereshöhe haben. Damals waren es halt alleine 2,4 bar vom Stickstoff, und halt nochmal 0,1 bar bis 0,3 bar vom Wasserstoff (falls die im Artikel genannten "5 bis 10 Prozent Wasserstoff" als Gewichts-Prozente zu verstehen sind) oder halt nur 0,01 bis 0,03 bar Wasserstoff (falls Volumen- bzw. Molprozente gemeint sind). Hinzu kommen mögliche weitere Gase, z.B. Helium, von denen die Erde damals möglicherweise mehr hatte als heute, weil sie zwischenzeitlich in den Weltraum verloren wurden. Insgesamt ergibt sich so der 2,5 bis 3-fache Luftdruck auf Meereshöhe.

Da die barometrische Höhenformel weitgehend gleich bleibt (Hauptbestandteil ist ja weiterhin Stickstoff), herrschte damals auch in 10 km Höhe ungefähr der 2,5 bis 3-fache Luftdruck wie heute in dieser Höhe, und entsprechend auch für noch größere Höhen.

Jag

Der Artikel erscheint mir etwas fragwürdig.

Stickstoff ist in Gesteinen an sich selten und gelangt in den Boden ganz überwiegend durch die stickstofffixierende Tätigkeit von Bakterien. Ich kann fast nicht glauben, dass im Gestein die doppelte Menge an Stickstoff gebunden ist, wie sie in der Atmosphäre vorkommt. Das müßten dann etwa 6 x 10 hoch18 kg sein. Damit wären Stickstoffverbindungen im Boden mengenmäßig etwa einsechzigstel der von Kohlendioxid (als Carbonate)., wobei die Carbonate aber ganze Gebirgszüge bilden. Kann das wirklich sein?

Sehe ich aehnlich.

Es ist wahrscheinlicher, dass nicht die Stickstoff Konzentration sondern die damals hoehere Wasserstoff Konzentration die Ursache fuer den postulierten Mechanismus gewesen waere. Stickstoff war damals wie heute mehr als ausreichend in der Atmosphaere vorhanden. Abgenommen hat mit der Photosynthese und der Zunahme der Sauerstoff Konzentration jedoch die Wasserstoff Konzentration.

Die Atmosphaere koennte sehr wohl Wasserstoff "(ent)halten"

wenn er nicht weg reagieren wuerde. Es ist auch keine Trennung durch "Schwerkraft" wie sie es vorgeschlagen haben, die ihn "verfluechtigt". Wie waere es sonst moeglich, dass die Atmosphaere heute immer noch Helium enthaelt, das bei der kryogenischen Luftrennung industriell gewonnen wird. Helium und Wasserstoff sind beide gleich fluechtig, nur dass Helium als Edelgas nicht weg reagieren kann. Die vorgestellte Theorie der chemischen Thermodecke setzt voraus, dass es eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration gegeben haben muss. Wenn Vulkane Wasserstoff emittierten ist es durchaus plausibel, dass sich eine solche aufgebaut hat.

Helium wird aus Erdgas gewonnen und nicht über die Luftverflüssigung wie z.B. die Edelgase Krypton oder Xenon. Es gibt eine geringe Menge an Helium in der Atmosphäre, welche bei bei Alpha-Strahlung (Aus Uran und Thorium bzw. deren Tochternukliden). Es ist davon auszugehen, dass in der ursprünglichen Welt reduzierende Bedingungen vorherrschten. Das bedeutet, dass Wasserstoff nicht unbedingt gute Reaktionspartner zu Verfügung standen.

Danke fuer den Hinweis.

Man koennte im Prinzip zwar Helium aus dem Vent Gas einer Luftrennanlage gewinnen. Nur rechnet sich dies kommerziell nicht im Vergleich zu der Moeglichkeit Erdgas aus solchen Reservoirs zur Gewinnung zu benutzen, in denen Helium besonders angereichert ist (e.g. 7 %). Ich wollte im Prinzip nur darauf hinweisen, dass es Helium um einige Groessenordnungen mehr als Wasserstoff in der Luft gibt.

Dieser Artikel ist ein schönes Beispiel

dafür, dass wir ganz offensichtlich das Ende des Aufklärungszeitalters erreicht haben.
Das Heiligste und Höchste Gut der Aufklärung war, dass ein Jeder und nicht nur berufene Experten, durch eine ernstzunehmende Bildung in die Lage versetzt waren, sich über die Dinge der Welt ein eigenes und dem Stand der Wissenschaft entsprechendes Urteil zu bilden.
Das bedeutet auch, das, wer sich als Mittler und Verkünder des Neuen versteht (also auch wer Telefonate wiedergibt) mit seinen Adressaten auf Augenhöhe verkehren kann und nicht in ein inhaltsleeres bis falsches, pseudowissenschaftliches Geschwurbel verfällt.
Optimistisch stimmt mich die Reaktion der Foristen, die ihre konstruktiven und notwendigen Anmerkungen schon gemacht haben!!