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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Leserkommentare
  1. Journalisten dürfen und sollten abkürzen, aber sie sollten dabei nicht den Text entstellen. Wenn der original-Autor schreibt: "Sie sind symmetrisch aufgebaut und haben keine Ladungstrennung, absorbieren also keine elektromagnetische Strahlung." dann sollte der Autor daraus nicht folgendes machen: "Sie sind symmetrisch aufgebaut und haben keine Ladung, reagieren also nicht mit anderen Molekülen."

    Noch fragwürdiger wird es beim nächsten Satz des Zeit-Artikels. Der ist nämlich in Anführungszeichen gesetzt, sollte also ein wortwörtliches Zitat sein: "Tun sie sich jedoch zusammen und kollidieren dann mit den Infrarot-Photonen der Sonnen, versetzen diese sie in Schwingung." Jedoch steht im englischen Original folgender vollkommen andere Satz: "But what happens with the H2 and – to a lesser extent – with the N2 is that they can be – if you have collisions with other molecules, than that can excite the rotational levels of these molecules."

    Wenn wir im Original mal annehmen, dass das Wort "be" einmal zu viel steht, dann übersetzt es sich wörtlich wie folgt: "Was aber mit dem H2 und - auf einem niedrigeren Niveau - mit dem N2 passiert, ist, dass sie das [Absorption/Emmission von IR-Strahlung] doch können - wenn man Kollissionen mit anderen Molekülen hat, können auch Rotationsmoden dieser Moleküle angeregt werden".

    Es wurde also vom Autor der Zeit leider komplett sinnfrei übersetzt: "Rotation" und "Schwingung" verwechselt, die Kollissionen falsch zugeordnet usw. usf.

    Jag

    3 Leserempfehlungen
    Antwort auf "Kritik am Text"
  2. Wann auch immer es um Chemie oder Physik geht, wird in den Zeitung häufig schlicht Schmarrn geschrieben:
    "Sie sind symmetrisch aufgebaut und haben keine Ladung, reagieren also nicht mit anderen Molekülen."
    Dieser Satz ist schlicht und ergreifend falsch! Die ersten zwei Teilsätze stimmen, die Folgerung ist aber komplett daneben. Wasserstoff ist durchaus, wie es allgemein bekannt ist, zu Reaktionen in der Lage ("Knallgasexplosion"), ähnlich wie Stickstoff (normalerweise unter sehr harschen Bedingungen, oder auch Sauerstoff etc.) Unter Berücksichtigung des nächsten Satzes
    "Tun sie sich jedoch zusammen und kollidieren dann mit den Infrarot-Photonen der Sonnen, versetzen diese sie in Schwingung."
    zeigt sich, dass der Autor, was anderes sagen wollte: Moleküle aus zwei gleichen Atome sind nicht in der Lage, Infrarotstrahlung zu absorbieren (und wieder zu emittieren). Die Begründung dafür ist allerdings nicht ganz trivial. Eine Schwingung ist letztlich nur dann "IR-aktiv", wenn sich innerhalb einer Schwingung das Dipol des Moleküles ändert. Das hat nichts mit der "Ladung" zu tuen. In so fern bin ich verwundert, was das im ersten Satz zu tuen hat. Ferner gilt es nicht für alle symmetrischen Moleküle: CO2 ist ebenfalls symmetrisch ausgebaut, ist allerdings in der Lage, IR-Strahlung zu absorbieren.
    Auch an anderen Stellen finden sich Ungereimtheiten, aber das war der größte Fehler.

    2 Leserempfehlungen
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    Redaktion

    Der Autor sagt, der von Ihnen kritisierte Satz gibt minimal verkürzt wieder, was ihm die Wissenschaftler am Telefon gesagt haben. Das Originalzitat lautet:

    “Normally we don’t think that gases like hydrogen and nitrogen would be greenhouse gases. And the reason why is because they are symmetric molecules with no electric dipole moment, meaning there is no charge separation within the molecule. If you drew a plane in between the two N atoms or the two H atoms, it would look the same on both sides of that plane running through the center. Under normal circumstances that would mean a molecule like that would not absorb electromagnetic radiation, absorb or emit electromagnetic radiation. But what happens with the H2 and – to a lesser extent – with the N2 is that they can be – if you have collisions with other molecules, than that can excite the rotational levels of these molecules. And for H2 that can give you a big greenhouse effect.”

    Der Autor steht zu seinem Text. Er sagt: "Erläuterungen wie "Eine Schwingung ist letztlich nur dann "IR-aktiv", wenn sich innerhalb einer Schwingung das Dipol des Moleküles ändert" mögen für Experten wie ihn interessant sein, gehören aber nicht in einen populär-wissenschaftlichen Artikel wie diesen."

    • Dazydee
    • 04. Januar 2013 10:39 Uhr

    >>Demnach dürfte es damals mindestens dreimal so viel Stickstoff in der Atmosphäre gegeben haben wie heute.<<

    Heute besteht Luft aus 80% Stickstoff, damals müssten es also 240% gewesen sein...

    Oder hatten wir damals eine dichtere oder größere Atmosphäre, wo mehr Stickstoff reinpasste?

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    • Slin88
    • 04. Januar 2013 11:12 Uhr

    Von den Prozenten würde ich da Abstand nehmen. Bsp.: Heute Stickstoff (78% sind 78 Tonnen) und Sauerstoff (21% sind 20 Tonnen) etc.. Damals vielleicht Stickstoff (234 Tonnen) und Wasserstoff (10 Tonnen). Macht ein Stickstoffanteil von 95%.

    Es kann durchaus sein, das die Atmosphäre damals eine höhere Dichte hatte. Wobei ich da keine Ahnung habe. Was mich aber interessieren würde wäre, was waren das für Moleküle die damals entstanden? Meines Wissens nach ergibt sich aus Wasserstoff und Stickstoff Ammoniak oder liegt ich da auf den Holzweg?

    "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

    • Slin88
    • 04. Januar 2013 11:12 Uhr
    2. 240%?

    Von den Prozenten würde ich da Abstand nehmen. Bsp.: Heute Stickstoff (78% sind 78 Tonnen) und Sauerstoff (21% sind 20 Tonnen) etc.. Damals vielleicht Stickstoff (234 Tonnen) und Wasserstoff (10 Tonnen). Macht ein Stickstoffanteil von 95%.

    Es kann durchaus sein, das die Atmosphäre damals eine höhere Dichte hatte. Wobei ich da keine Ahnung habe. Was mich aber interessieren würde wäre, was waren das für Moleküle die damals entstanden? Meines Wissens nach ergibt sich aus Wasserstoff und Stickstoff Ammoniak oder liegt ich da auf den Holzweg?

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    Um mal den Abstrakt zu zitieren:
    "Understanding how Earth has sustained surface liquid water throughout its history remains a key challenge, given that the Sun’s luminosity was much lower in the past. Here we show that with an atmospheric composition consistent with the most recent constraints, the early Earth would have been significantly warmed by H2-N2 collision–induced absorption. With two to three times the present-day atmospheric mass of N2 and a H2 mixing ratio of 0.1, H2-N2 warming would be sufficient to raise global mean surface temperatures above 0°C under 75% of present-day solar flux, with CO2 levels only 2 to 25 times the present-day values. Depending on their time of emergence and diversification, early methanogens may have caused global cooling via the conversion of H2 and CO2 to CH4, with potentially observable consequences in the geological record."
    Ich gehe nicht davon aus, dass es sich Ammoniak gebildet hat. Wenn man betrachtet, wie heute Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff im Haber-Bosch-Verfahren sind trotz Einsatz eines Katalysators sehr hohe Drücke und Temperaturen nötig, damit das Stickstoff aktiviert werden kann. Dafür waren Bedingungen in der Atmosphäre nicht geeignet (Bei Raumtemperatur reagiert Ammoniak und Wasserstoff überhaupt nicht). Viel eher handelt es sich um eine "Anlagerung" des Wasserstoffes, welche nur eine sehr kurze Zeit besteht, welche aber ausreichend ist, damit hier IR-Strahlung absorbiert werden kann.

  3. Um mal den Abstrakt zu zitieren:
    "Understanding how Earth has sustained surface liquid water throughout its history remains a key challenge, given that the Sun’s luminosity was much lower in the past. Here we show that with an atmospheric composition consistent with the most recent constraints, the early Earth would have been significantly warmed by H2-N2 collision–induced absorption. With two to three times the present-day atmospheric mass of N2 and a H2 mixing ratio of 0.1, H2-N2 warming would be sufficient to raise global mean surface temperatures above 0°C under 75% of present-day solar flux, with CO2 levels only 2 to 25 times the present-day values. Depending on their time of emergence and diversification, early methanogens may have caused global cooling via the conversion of H2 and CO2 to CH4, with potentially observable consequences in the geological record."
    Ich gehe nicht davon aus, dass es sich Ammoniak gebildet hat. Wenn man betrachtet, wie heute Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff im Haber-Bosch-Verfahren sind trotz Einsatz eines Katalysators sehr hohe Drücke und Temperaturen nötig, damit das Stickstoff aktiviert werden kann. Dafür waren Bedingungen in der Atmosphäre nicht geeignet (Bei Raumtemperatur reagiert Ammoniak und Wasserstoff überhaupt nicht). Viel eher handelt es sich um eine "Anlagerung" des Wasserstoffes, welche nur eine sehr kurze Zeit besteht, welche aber ausreichend ist, damit hier IR-Strahlung absorbiert werden kann.

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  4. Redaktion

    Der Autor sagt, der von Ihnen kritisierte Satz gibt minimal verkürzt wieder, was ihm die Wissenschaftler am Telefon gesagt haben. Das Originalzitat lautet:

    “Normally we don’t think that gases like hydrogen and nitrogen would be greenhouse gases. And the reason why is because they are symmetric molecules with no electric dipole moment, meaning there is no charge separation within the molecule. If you drew a plane in between the two N atoms or the two H atoms, it would look the same on both sides of that plane running through the center. Under normal circumstances that would mean a molecule like that would not absorb electromagnetic radiation, absorb or emit electromagnetic radiation. But what happens with the H2 and – to a lesser extent – with the N2 is that they can be – if you have collisions with other molecules, than that can excite the rotational levels of these molecules. And for H2 that can give you a big greenhouse effect.”

    Der Autor steht zu seinem Text. Er sagt: "Erläuterungen wie "Eine Schwingung ist letztlich nur dann "IR-aktiv", wenn sich innerhalb einer Schwingung das Dipol des Moleküles ändert" mögen für Experten wie ihn interessant sein, gehören aber nicht in einen populär-wissenschaftlichen Artikel wie diesen."

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    Es kann auch nicht Sinn der Sache sein, etwas so abzukürzen, dass es zum Schluss einfach etwas falsches herauskommt. Wenn man z.B. ein Interview mit einem Politiker zusammenfasst, würde man sowas auch nicht machen (zumindest sollte man sowas nicht als Journalist machen).
    Das meine Begründung so nicht leicht verständlich, ist natürlich klar. Das kann man sicherlich verständlicher formulieren.
    Ich glaube eigentlich, dass sowas schon in populär-wissenschaftlichen Artikel gehört. Immerhin ist der Klimawandel ein Thema, welches noch jahrelang eines der wichtigsten Themen ist. Dieser wird auch sehr kontrovers diskutiert. Da sollte man eigentlich bekannt sein, warum CO2 und Wasserdampf als Treibhausgase wirken, Stickstoff und Sauerstoff aber nicht. Ferner sollte man wissen, warum Methan und manche in der Industrie verwendeten Gasen einen deutlich höheren Treibhauseffekt als CO2 verursachen. Ich glaube schon, dass das viele Menschen durchaus interessieren würde.

    Journalisten dürfen und sollten abkürzen, aber sie sollten dabei nicht den Text entstellen. Wenn der original-Autor schreibt: "Sie sind symmetrisch aufgebaut und haben keine Ladungstrennung, absorbieren also keine elektromagnetische Strahlung." dann sollte der Autor daraus nicht folgendes machen: "Sie sind symmetrisch aufgebaut und haben keine Ladung, reagieren also nicht mit anderen Molekülen."

    Noch fragwürdiger wird es beim nächsten Satz des Zeit-Artikels. Der ist nämlich in Anführungszeichen gesetzt, sollte also ein wortwörtliches Zitat sein: "Tun sie sich jedoch zusammen und kollidieren dann mit den Infrarot-Photonen der Sonnen, versetzen diese sie in Schwingung." Jedoch steht im englischen Original folgender vollkommen andere Satz: "But what happens with the H2 and – to a lesser extent – with the N2 is that they can be – if you have collisions with other molecules, than that can excite the rotational levels of these molecules."

    Wenn wir im Original mal annehmen, dass das Wort "be" einmal zu viel steht, dann übersetzt es sich wörtlich wie folgt: "Was aber mit dem H2 und - auf einem niedrigeren Niveau - mit dem N2 passiert, ist, dass sie das [Absorption/Emmission von IR-Strahlung] doch können - wenn man Kollissionen mit anderen Molekülen hat, können auch Rotationsmoden dieser Moleküle angeregt werden".

    Es wurde also vom Autor der Zeit leider komplett sinnfrei übersetzt: "Rotation" und "Schwingung" verwechselt, die Kollissionen falsch zugeordnet usw. usf.

    Jag

  5. Es kann auch nicht Sinn der Sache sein, etwas so abzukürzen, dass es zum Schluss einfach etwas falsches herauskommt. Wenn man z.B. ein Interview mit einem Politiker zusammenfasst, würde man sowas auch nicht machen (zumindest sollte man sowas nicht als Journalist machen).
    Das meine Begründung so nicht leicht verständlich, ist natürlich klar. Das kann man sicherlich verständlicher formulieren.
    Ich glaube eigentlich, dass sowas schon in populär-wissenschaftlichen Artikel gehört. Immerhin ist der Klimawandel ein Thema, welches noch jahrelang eines der wichtigsten Themen ist. Dieser wird auch sehr kontrovers diskutiert. Da sollte man eigentlich bekannt sein, warum CO2 und Wasserdampf als Treibhausgase wirken, Stickstoff und Sauerstoff aber nicht. Ferner sollte man wissen, warum Methan und manche in der Industrie verwendeten Gasen einen deutlich höheren Treibhauseffekt als CO2 verursachen. Ich glaube schon, dass das viele Menschen durchaus interessieren würde.

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  6. Wasserstoff in der Atmosphäre halten. Aufgrund der zu geringen Schwerkraft verflüchtigt der sich schnell ins All. Freier Wasserstoff war daher sicher nur für ein paar hundert Millionen Jahre in der Atmosphäre vorhanden und schon lange weg, bevor die Photosynthese (nach der Ausfällung von Milliarden Tonnen Eisen-(III)-hydroxid freien Sauerstoff in der Luft erzeugte. Das die Erdatmosphäre damals aus freiem Wasserstoff und Stickstoff bestand ist aber unwahrscheinlich. Man kann noch heute an den äußeren Monden sehen, dass Uratmosphären aus Ammoniak/Methan bestanden. Durch Radiolyse wurde das Ammoniak zersetzt, der Wasserstoff verflüchtigte sich und der Stickstoff blieb zurück.

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