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Von Robert Walgate und Günter Haaf

Wie alt ist die Erde? Und wie entstand unsere Heimat im All? Auf die erste der beiden Urfragen der Erdwissenschaften gibt es seit geraumer Zeit eine Antwort: Der Planet ist rund 4,6 Milliarden Jahre alt.

Nun haben Geologen aus Frankreich, Japan und den Vereinigten Staaten mit detektivischem Spürsinn und mit dem gleichen physikalischen Trick, der die exakte Bestimmung des Erdalters ermöglicht, neue Erkenntnisse über die Entstehung der Erde gewonnen: nicht auf einen Schlag, sondern in zwei Schüben.

Das Vertrauen der Erdwissenschaftler in die Verläßlichkeit ihrer Erkenntnisse über ein so weit zurückliegendes Ereignis basiert auf der universellen Gültigkeit jener physikalischen Gesetze, die den radioaktiven Zerfall chemischer Elemente regeln. Chemische Elemente setzen sich aus Atomen verschiedener Masse zusammen; die Atome eines Elements mit gleichem "Atomgewicht" heißen Isotope. Instabile, also radioaktive Isotope zerfallen in exakt berechenbaren Zeiträumen. Und jedes radioaktive Isotop befolgt dabei einen typischen, unverwechselbaren Rhythmus, den Physiker "Halbwertszeit" nennen: Jeweils die Hälfte einer beliebigen Menge eines instabilen Isotops zerfällt in einer genau bestimmten Zeitspanne (bei Plutonium mit dem Atomgewicht 244, kurz Plutonium-244, beträgt die Halbwertszeit 82 Millionen Jahre; von einem Kilogramm sind nach dieser Zeit noch 500 Gramm übrig, nach weiteren 82 Millionen Jahren noch 250 Gramm und so weiter).

Neben den diversen Halbwertszeiten kennen die Physiker heute auch die Zerfallsreihen, also den Weg eines Atomkerns vom instabilen Isotop über radioaktive Zwischenprodukte bis hin zum stabilen Endprodukt, der "Asche" des radioaktiven Zerfalls. Beide Erkenntnisse ermöglichen, das Alter etwa von Gesteinen nach deren Isotopen-Zusammensetzung zu berechnen – ein im Fachjargon "radiologische Uhr" genanntes Verfahren.

Eine neuartige radiologische Uhr, die sogenannte Xenon-Datierung, eröffnete jetzt unerwartete Einblicke in Vorgänge während der Geburt unseres Planeten: Zuerst formierte sich der innere Kern, dann – mit deutlichem zeitlichen Abstand – der äußere Mantel; beide Teile haben sich seitdem nur sehr wenig vermischt.

Solche überraschende Schlüsse ziehen der amerikanische Geophysiker Frank Podosek von der Washington-Universität in St. Louis, Missouri, und seine beiden japanischen Kollegen M. Ozima und G. Igarashi von der Universität Tokio in einem Bericht im britischen Fachblatt Nature vom 6. Juni. Das Forschertrio baut seine Aussagen unter anderem auf die Ergebnisse einer sorgfältigen Untersuchung des seltenen Edelgases Xenon, das einem Bohrloch im amerikanischen Bundesstaat New Mexico entströmt.

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Xenon ("das Fremde") weckte in den letzten drei Jahren das Interesse der Geophysiker, weil es die "Asche", das Endprodukt einiger exotischer radioaktiver Zerfallsreihen ist. Als erste Wissenschaftler erkannten Claude Allegre und seine Kollegen vom Geophysikalischen Institut in Paris, daß aus dem Mengenverhältnis bestimmter Xenon-Isotopen faszinierende Einblicke in die früheste Erdgeschichte möglich sein könnten: Xenon-129 entsteht beim Zerfall des radioaktiven Elements Jod-129 (Halbwertszeit: 17 Millionen Jahre); Xenon-136 ist dagegen das Zerfallsprodukt von Plutonium-244 (Halbwertszeit: 82 Millionen Jahre). Keines der beiden Xenon-Isotope ist freilich, wie Allegre bemerkte, in nennenswerten Mengen in der Luft zu finden – ganz im Gegensatz zu Xenon-Sorten, die nicht aus dem Zerfall von Tod oder Plutonium stammen.

Allegre schloß aus seiner Beobachtung, daß die irdische Atmosphäre sehr bald nach der Entstehung der Erde aus dem noch heißen Gestein der Planetenoberfläche entwichen sein mußte – also bevor nennenswerte Mengen Jod-129 oder Plutonium-244 zerfallen und ihre jeweilige Xenon-"Asche" in die Luft gelangen konnte (beide radioaktive Isotopen sind längst vollständig zerfallen). Andererseits ist aber eben diese Xenon-"Asche" im Gestein des tieferen Erdmantels und des Erdkerns enthalten; da das Gestein des tiefen Erdmantels an bestimmten Stellen, entlang der mittelozeanischen Rücken (etwa auf Island), bis an die Erdoberfläche emporquillt, kann es untersucht werden. Aus den unterschiedlichen Analysenergebnissen folgerte Allegre, daß sich die Lufthülle sehr früh und nur aus Oberflächengestein gebildet haben mußte.

Damit freilich lud sich der französische Geophysiker ein neues, noch schwierigeres Problem auf: Wie konnte die urtümliche Erde ihre Lufthülle so schnell bilden?

Hier kommen nun Frank Podosek und seine Kollegen, zu Hilfe. Sie schlagen eine andere Geburtsgeschichte der Erde vor, basierend auf der Zusammensetzung des Xenons aus dem Bohrloch in New Mexico. Und bei dieser Genesis spielt das Zeitproblem des Claude Allegre keine Rolle.

Das Edelgas aus dem Bohrloch enthält im Vergleich zu Xenon aus der Luft oder aus dem Gestein des oberen Erdmantels sehr viel Xenon-129, aber vergleichsweise wenig Xenon-136. Podoseks Team kann sich den Unterschied nur so erklären: Das Bohrloch-Xenon stammt, wie auch das Edelgas in der aufquellenden Lava entlang der mittelozeanischen Rücken, aus einer früheren Phase der Erdgeschichte als das Xenon in der Luft und im Gestein des oberen Erdmantels.

Den Xenon-Spuren entsprechend skizziert die amerikanisch-japanische Forschergruppe folgende neue Entstehungsgeschichte der Erde:

Erstens bildete sich der heutige Erdkern aus einem Schwarm kleinerer Himmelskörper. Diese um die junge Sonne kreisenden "Planetisimale" waren wahrscheinlich so groß wie die heutigen Asteroiden zwischen Mars und Jupiter. Immer neue Kollisionen ließen mit der Zeit einen größeren Himmelskörper entstehen, den Vorläufer des heutigen Erdkerns. In ihm war auch eine Fülle radioaktiver Substanzen enthalten, deren Zerfallsprodukte bis heute nicht entweichen konnten – zum Beispiel das Xenon-129 und -136.

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Zweitens klumpten nicht alle Planetisimale des Schwarms auf einmal zusammen. Ein Teil der kosmischen Felsbrocken kreiste weiterhin frei um die Sonne und kollidierte dabei von Fall zu Fall mit anderen Mitgliedern des Schwarms. Währenddessen zerfiel in ihrem Gestein das Jod-129, entwich das entstehende Xenon-129 bei Zusammenstößen ins All. Nach Berechnungen der Podosek-Gruppe dauerte es mindestens 14 Millionen Jahre, bis schließlich die restlichen Planetisimale vom Erdkern eingefangen worden waren und die neue äußere Hülle des Planeten bildeten – einen Gesteinsmantel, der auffällig weniger Xenon-129 enthält als der ältere Erdkern.

Drittens entströmten dem neuen Erdmantel Gase, die schließlich die Luft- und Wasserhülle des Planeten bildeten. Dieser Vorgang konnte gut hundert Millionen Jahre gedauert haben, wie das heutige Verhältnis zweier Isotopen des Edelgases Argon nahelegt. Die Zusammensetzung des Xenons in der Luft glich (und gleicht) selbstverständlich jener des Erdmantel-Xenons.

Viertens zeigt die bis heute unterschiedliche Xenon-Komposition in Erdkern und Erdmantel samt Lufthülle), daß sich die beiden unterschiedlich alten Bestandteile unseres Planeten kaum vermischt haben.

Frank Podosek und seine Kollegen, so scheint es, haben aus einem klein bißchen Edelgas ganz schön große Antworten destilliert.