AstronomieEine 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. von Guido Meyer

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.

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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.

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  • Quelle ZEIT ONLINE
  • Schlagworte Astronomie | Atmosphäre | Geowissenschaft | Pflanze | Planet | Saturn
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