Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Warum die Erdatmosphäre viel Sauerstoff enthält

16.09.2019

Bayreuther Forscher simulieren Prozesse in frühen Magmaozeanen

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:


PD Dr. Catherine McCammon in einem Hochdruck-Labor des Bayerischen Geoinstituts (BGI).

Foto: Christian Wißler

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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

PD Dr. Catherine McCammon
Bayerisches Geoinstitut (BGI)
Universität Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3709
E-Mail: Catherine.McCammon@uni-bayreuth.de

Originalpublikation:

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: http://dx.doi.org/10.1126/science.aax8376

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Was unter dem Yellowstone-Vulkan passiert
17.10.2019 | Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

nachricht Eine Festung aus Eis und Schnee
04.10.2019 | Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

Das Rezept für eine Fruchtfliege

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics